Защита линий от прямых ударов молнии
Защита от прямых ударов молнии при помощи длинно-искрового разрядника РДИ10-М
При прямом ударе молнии в линию, не защищённую разрядниками, физическая картина процессов, приводящих к отключению линии, в общем, известна (см., например [98]) и выглядит следующим образом. Пусть провода ВЛ расположены по треугольнику (рис. 6.19,а). Тогда наиболее вероятно попадание молнии в верхнюю фазу. При ударе молнии в провод ток молнии протекает по волновым сопротивлениям zΒ линии в обе стороны от места удара. На эквивалентном сопротивлении линии, равном половине волнового сопротивления линии zэ=zΒ/2, создаётся весьма большое падение напряжения, которое приложено к ближайшему изолятору фазы.
Под действием этого напряжения изолятор перекрывается, и по каналу перекрытия, по телу опоры и далее через сопротивление заземления опоры протекает значительный импульсный ток. На индуктивности и на сопротивлении заземления опоры образуется большое падение напряжения, т. е. потенциал верхнего конца опоры (траверсы) резко возрастает. Потенциалы проводов соседних с поражённой фазой также возрастают за счёт электромагнитной связи фаз, (что может быть оценено по коэффициенту связи между проводами), однако менее значительно, чем потенциал траверсы. Таким образом, к изоляторам соседних с поражённой фазой оказывается приложенным напряжение, равное разности потенциалов между траверсой и проводом.
Под действием этого напряжения изоляторы перекрываются, и образуется междуфазное грозовое перекрытие, которое под действием линейного напряжения промышленной частоты с большой вероятностью переходит в силовую дугу. Установление силовой дуги междуфазного перекрытия сопровождается большими токами короткого замыкания, представляющими опасность для оборудования электропередачи и проводов ВЛ, и поэтому линия должна быть незамедлительно отключена выключателями.
Из приведённого описания видно, что при прямом ударе молнии перекрываются все изоляторы, расположенные на поражённой опоре. Поэтому для защиты от прямого удара молнии длинно-искровые разрядники целесообразно устанавливать на опоре параллельно каждому изолятору линии (см. рис. 6.19,а).
Для того, чтобы прямые удары молнии приходились только в верхнюю (среднюю) фазу, целесообразно располагать провода по треугольнику. При этом вероятность прорыва молнии на крайние фазы может быть оценена по формуле [98]:
(6-25) где α - угол защиты верхней фазы относительно нижних фаз, в град.; h0- высота опоры, в м. Например при h0=10 м и α=30° вероятность прорыва молнии на крайние фазы составляет Рпр= 0,001. Как видно из приведённого примера, попадание молнии в крайние фазы является весьма редким событием.
Рис. 6.19. Эквивалентные схемы для расчёта перенапряжений при прямом ударе молнии в провод вблизи опоры:
а) расположение разрядников на опоре; б) принципиальная электрическая схема; в) «свёрнутая» электрическая схема
Разрядник, установленный на верхнюю фазу (см. рис. 6.19,а), должен перекрываться раньше, чем защищаемый им изолятор верхней фазы, при воздействии весьма крутых импульсов перенапряжений, возникающих при прямом ударе молнии в провод. Поэтому его длина должна быть относительно небольшой. Как будет показано далее, при использовании изоляторов ШФ 20-Г длина РДИ, установленного на верхней фазе, может быть порядка одного метра.
После перекрытия РДИ, установленного на верхней фазе, ток молнии отводится не только по проводу поражённой фазы, а и по телу опоры через сопротивление заземления на землю. Поэтому потенциал траверсы опоры возрастает значительно медленнее, чем потенциал провода поражённой фазы до срабатывания разрядника, установленного на верхней фазе. Кроме того, потенциал провода соседей фазы также увеличивается за счёт электромагнитной связи между проводами. Поэтому напряжение, приложенное к изолятору крайней фазы, нарастает значительно медленнее, чем напряжение, приложенное к изолятору верхней фазы, и, соответственно, условия координации срабатывания разрядника, установленного на крайней фазе, значительно более лёгкие, чем для разрядника, установленного на верхней фазе. После срабатывания разрядника, установленного на крайней фазе (или обоих разрядников, установленных на крайних фазах), образуется двух- (или трёх-) фазное грозовое перекрытие. Для исключения перехода импульсного перекрытия в силовую дугу общая длина перекрытия L должна быть достаточно большой. Она может быть определена по формуле:
(6.26) где Uл - наибольшее рабочее линейное напряжение; - критический градиент напряжения промышленной частоты, при котором исключается установление силовой дуги вследствие грозового перекрытия. Основные результаты опубликованных экспериментальных исследований критического градиента приведены в разделе 6.1.3 на рис. 6.4.
При междуфазных замыканиях на одной опоре сопровождающий ток может достигать величины в несколько килоампер, поэтому следует ориентироваться на величину критического градиента 4 кВ/см (см. раздел 6.1.3 рис. 6.4). На ВЛ 10 кВ наибольшее рабочее линейное напряжение равно Uл= 12 кВ и, соответственно, необходимая суммарная длина перекрытия составляет L=12/4=3 м. Поскольку длина перекрытия по РДИ, установленному на верхнюю фазу, составляет 1 м, длина РДИ, защищающего изолятор нижней фазы, должна быть 2 м.
Расчёт эффективности защиты ВЛ от прямых ударов молнии выполнен по эквивалентным схемам, приведённым на рис. 6.19.
Разрядники устанавливаются между проводами всех трёх фаз и опорой параллельно изоляторам (рис. 6.19,а). Для электрического расчёта целесообразно представить разрядники в виде переменных сопротивлений (рис. 6.19,б), которые меняют свою величину дискретно, ступенями от бесконечности до нуля, проходя значения: R, R/2,0.
Рассмотрим, например, работу разрядника, установленного на фазу А. Вследствие разной скорости продвижения каналов при воздействии импульса грозового перенапряжения при положительной и отрицательной полярности [99] сначала перекрывается первый модуль с длиной перекрытия. До перекрытия первого модуля общее сопротивление разрядника является практически бесконечно большим. После перекрытия первого модуля в момент /1 сопротивление разрядника становится равным сопротивлению одного отрезка кабеля RA=RA0=LA0Rпог, где LA0 - длина отрезка кабеля РДИА; Rпог - погонное сопротивление кабеля.
Как показали испытания, вслед за первым модулем обычно перекрывается третий модуль (см. рис. 6.8). После перекрытия третьего модуля РДИ в момент t2 параллельно сопротивлению, через которое подключён первый модуль, включается такое же сопротивление второго отрезка кабеля RA0, т. е. общее эквивалентное сопротивление разрядника уменьшается вдвое, т. е. Ra=RAq/2. После перекрытия средней части разрядника (т. е. второго модуля по рис. 6.8) в момент t3 образуется единый искровой канал, с весьма малым сопротивлением, замыкающий весь разрядник. По сравнению с другими сопротивлениями (волновым сопротивлением провода, канала молнии и т. п.), определяющими грозовые перенапряжения, сопротивлением канала перекрытия можно пренебречь, поэтому при расчётах оно полагалось равным нулю. Поэтому после момента t3 сопротивление разрядника RA=0.
При ударе молнии в среднюю фазу А на крайних фазах В и С наводится напряжение, определяемое коэффициентом связи между проводами. Однако, как показали расчёты, до перекрытия разрядника на фазе А, РДИА, на разряднике, установленном на фазе В, РДИВ, не происходит перекрытия ни одного из его модулей. Таким образом, в некотором интервале времени t3<t<t4 РДИА уже полностью перекрыт, а у РДИВ ни один из модулей не перекрыт. При дальнейшем нарастании напряжения в момент t4 перекрывается первый модуль РДИВ, и процесс развития перекрытия РДИВ (и соответственно изменения его сопротивления) происходит аналогично рассмотренному ранее процессу перекрытия РДИА.
Влиянием напряжения промышленной частоты ВЛ 10 кВ на разрядные процессы по поверхности разрядников ввиду его малости можно пренебречь. При этом фазы В и С и соответствующие разрядники, установленные на них, находятся в одинаковых условиях, поэтому при расчёте перенапряжений их целесообразно объединить (см. рис. 6.19,в).
Разрядники, установленные на фазах В и С, замещаются переменным сопротивлением Rb/2, а волновые сопротивления проводов фаз В и С, отходящих в обе стороны от мест установки разрядников, замещаются сопротивлением zB/4, где zB - волновое сопротивление провода линии. Индуктивность опоры замещается сосредоточенной индуктивностью хОП=L0hon, где L0=1 мкГн/м - погонная индуктивность стойки опоры; hon - высота опоры. Методика расчётов приведена в Приложении 6.1.
На рис. 6.20 показаны типичные зависимости напряжения на изоляторах и разрядниках фаз А и В от времени. Из рис. 6.20 видно, что до момента срабатывания первого модуля РДИA t<t1 напряжение на фазе А нарастает весьма круто. После перекрытия первого модуля в момент t1 напряжение сначала резко (но незначительно по величине) снижается, а потом при t1<t<t2 возрастает, но уже с меньшей крутизной. При срабатывании третьего модуля в момент t2 снова происходит резкое снижение напряжения, а затем в период времени t2<t<t3, напряжение нарастает с ещё меньшей крутизной до момента t3, когда кривая напряжения на фазе А пересекает вольт-секундную характеристику РДИA, и происходит перекрытие второго, среднего модуля РДИA, т. е. полное перекрытие разрядника и срез напряжения на изоляторе и разряднике фазы А. В этот же момент t3 скачком появляется обратное напряжение (противоположной полярности) на изоляторе ИВ и разряднике РДИВ фазы В. После полного перекрытия РДИА в отводе тока молнии принимает участие опора со своим сопротивлением заземления, поэтому напряжение на фазе В нарастает значительно медленнее, чем оно нарастало на фазе А до перекрытия РДИА. Процесс нарастания напряжения на РДИВ происходит аналогично рассмотренному ранее процессу нарастания напряжения на РДИА, только с меньшей крутизной. В моменты t4, t5 и t6 перекрываются первый, третий и второй модули РДИВ, и соответственно меняется его сопротивление.
Рис. 6.20. Вольт-секундные характеристики (ВСХ) изоляторов (И) и разрядников (РДИ), установленных на фазах А и В, и зависимости соответствующих воздействующих напряжений (U) от времени при прямом ударе молнии отрицательной полярности в фазу A (изолятор ШФ20-Г; lрди A=1 м; lрди B=2 м; сопротивление заземления опоры Rз=50 Ом; крутизна тока молнии A=20 кА/мкс)
Из рис. 6.20 видно, что ВСХ изоляторов и разрядников пересекаются при весьма малых предразрядных временах tкр. При использовании на линии изоляторов ШФ20-Г и при установке на фазе А РДИ с длиной перекрытия lпер≈1 м критическое время составляет tкр. A=tк~=≈0,3 мкс. Средняя длина пролёта ВЛ 10 кВ обычно составляет около lпр≈70 м. Время прихода отражённой волны от соседней опоры к поражённой опоре равно tтр=(lпр+lпр)/vв≈(70+70)/300≈0,5 мкс, где vв≈300 м/мкс - скорость распространения электромагнитной волны вдоль линии. Для фазы В, на которой установлен разрядник с длиной перекрытия lпер=2 м, критическое время составляет tкр.В=t6≈0,8 мкс, т. е. отражённая от соседней опоры волна по фазе А успеет подойти к поражённой опоре и снизить напряжение, приложенное к изолятору ИВ и разряднику РДИВ. В приведённых расчётах влияние соседних опор не учитывалось, т. е. полученные расчётные оценки грозоупорности ВЛ, защищённых РДИ, можно считать выполненными с некоторым запасом.
Из рис. 6.20 ясно, что опасность для ВЛ представляют весьма крутые импульсы грозовых перенапряжений. Крутизна импульса напряжения а пропорциональна крутизне тока молнии А. Поэтому при расчёте определялись критические значения крутизны тока молнии, при которой (при прочих заданных параметрах) происходит перекрытие изолятора.
На рис. 6.21 приведена зависимость критической крутизны тока молнии от сопротивления заземления опоры (при использовании изолятора ШФ20-Г). Из него видно, что с увеличением сопротивления заземления опоры критическая крутизна тока молнии уменьшается.
Рис. 6.21. Зависимость критической крутизны тока молнии (для изолятора ШФ20-Г) и кратности уменьшения числа отключений ВЛ, защищённой РДИ10-М, по сравнению с незащищённой ВЛ от величины сопротивления заземления опоры при использовании изоляторов ШФ20-Г и ШФ10-Г
Число отключений линии nоткл, не защищённой разрядниками, вследствие прямых ударов молнии (ПУМ) в провода может быть оценено по формуле [98]:
(6-27)
где
- число ПУМ на 100 км линии при 100 грозовых часах;
РIm - вероятность появления тока молнии, достаточного для перекрытия изоляции ВЛ;
Рд - вероятность перехода импульсного перекрытия изолятора в силовую дугу;
РАПВ - вероятность успешного автоматического повторного включения.
Следует отметить, что для ВЛ 10 кВ практически при любом реальном токе молнии при прямом ударе молнии в провод произойдёт перекрытие линейной изоляции, поэтому ΡIm≈1.
Как было показано ранее, для линии, защищённой РДИ, значение имеет не величина тока молнии Iм, а его крутизна A. Соответственно число отключений линии, защищённой РДИ, вследствие прямых ударов молнии в линию nоткл можно записать в виде:
(6.28)
где Ра - вероятность появления тока молнии с крутизной большей или равной А.
Эффективность защиты линии от прямых ударов молнии при помощи РДИ может быть наглядно представлена в виде отношения числа отключений линии, не защищённой разрядниками nоткл (6.27), к числу отключений линии, защищённой разрядниками η'οткл (6.28):
(6-29)
где kпум - кратность уменьшения числа отключений ВЛ при прямом ударе молнии (ПУМ).
На рис. 6.21 приведены зависимости кратности уменьшения числа отключений ВЛ, защищённой РДИ10-М (lA=1 м, lB=lC=2 м), по сравнению с незащищённой ВЛ от величины сопротивления заземления опоры при использовании изоляторов ШФ20-Г и ШФ10-Г. Как видно из рис. 6.21, при использовании РДИ и изоляторов ШФ20-Г обеспечивается весьма высокая эффективность защиты линии 10 кВ от отключений при прямых ударах молнии. При сопротивлении заземления опоры Rз=10 Ом применение РДИ
даёт уменьшение числа отключений линии примерно в 200 раз, т. е. практически, такие отключения исключаются. С увеличением сопротивления заземления кратность уменьшения числа отключений уменьшается сначала (до Rз~50 Ом) весьма быстро, а затем медленно. При Rз=50 Ом кратность уменьшения числа отключений kпум≈20, а при Rз=80 Ом, kпум≈10. Таким образом, даже при высоких значениях сопротивления заземления опоры число отключений при прямых ударах молнии благодаря применению РДИ может быть снижено на порядок и более.
Как показывают расчёты, в случае применения изолятора ШФ20-Г эффективность грозозащиты определяется координированной работой разрядника и изолятора фазы В. Скорость нарастания напряжения на них сильно зависит от сопротивления заземления опоры. Соответственно и эффективность грозозащиты при ПУМ сильно зависит от сопротивления заземления опоры (см. рис. 6.21).
В случае применения изолятора ШФ10-Г (см. рис. 6.21) число отключений может быть снижено примерно в 5 раз, причём кратность уменьшения числа отключений не зависит от сопротивления заземления опоры. Этот результат объясняется тем, что в случае применения изолятора ШФ10-Г определяющим является координированная работа разрядника и изолятора фазы А, в которую попадает молния. Как было отмечено ранее, координация срабатывания РДИА не зависит от сопротивления заземления опоры, поскольку до перекрытия изолятора или срабатывания разрядника опора не участвует в отводе тока грозового перенапряжения. Расчёты показывают, что координация срабатывания РДИА длиной 1 м с изолятором ШФ10-Г обеспечивается при крутизнах тока молнии, значительно меньших, чем координация с изолятором ШФ20-Г. Однако, если разрядник РДИА успешно сработал, то при этой относительно небольшой крутизне тока молнии после подключения опоры к отводу тока молнии крутизна напряжения, приложенного к изолятору фазы В и установленному параллельно ему разряднику, становится небольшой. Поэтому разрядник РДИВ также успешно срабатывает, по крайней мере, как показывают расчёты, при сопротивлениях заземления опоры в диапазоне от 10 до 100 Ом.
В заключении отметим, что даже при протекании весьма больших импульсных токов молнии нет опасности повреждения разрядника, поскольку разряд развивается в воздухе, а не внутри аппарата.
Поэтому можно полагать, что разработанная система грозозащиты характеризуется простотой конструкции, невысокой стоимостью и высокой надёжностью.
Подводя итог, можно сказать, что для эффективной защиты ВЛ10 кВ, от прямых ударов молнии необходимо:
- применить опоры, обеспечивающие расположение проводов по треугольнику;
- на всех опорах параллельно каждому изолятору установить РДИ-М;
- на верхнюю фазу установить РДИ-М с относительно небольшой длиной перекрытия (например 1 м для ВЛ 10 кВ)
- на две нижние фазы установить РДИ-М с длиной перекрытия по 2 м.
