Волновые процессы в линиях электропередачи

Л.А. Ковригин

 

 

ТЕХНИКА ВЫСОКИХ НАПРЯЖЕНИЙ

 

Утверждено Редакционно-издательским советом университета

в качестве конспекта лекций

 

Пермь 2012

 

 

УДК 621.316

К56

 

 

Рецензенты: В.В. Смильгевич, к.т.н., ген. директор ОАО «Камкабель»;

Л.Г. Сидельников, к.т.н., исп. директор ЗАО «Тест»

 

 

Ковригин Л.А.

К56 Техника высоких напряжений: Конспект лекций / Перм. гос. техн. ун-т. – Пермь, 2012. – 90 с.

 

Рассмотрены атмосферные и внутренние перенапряжения, а также высоковольтные испытательные установки и корона на проводах ЛЭП.

Предназначен для студентов специальности 180302 «Электроизоляционная, кабельная и конденсаторная техника», которым отдельно читаются курсы: «Физика диэлектриков», «Методы испытания электрической изоляции», «Силовые кабельные линии», «Основы кабельной техники», «Электрические машины», «Основы конденсаторной техники», «Основы электроизоляционной техники», «Электротехнические материалы».

 

УДК 621.316

 

 

Ó Пермский государственный

технический университет, 2012

 

ВВЕДЕНИЕ

Техника высоких напряжений (ТВН) – это дисциплина, которая изучает различные физические процессы, происходящие в высоковольтных устройствах, с целью обеспечения безаварийной работы изоляции. Для чего требуется высокое напряжение при передаче электроэнергии?

Рассмотрим простейший пример. Пусть имеем линию электропередачи (ЛЭП) (рис. В.1), сопротивление проводов которой равно r = 0, 01 Ом, а сопротивление нагрузки – R. Допустим, требуется передать мощность P = 10 Вт. Это можно сделать различными путями, например:

1) I₁ = 1 А, U₁ = 10 В; P₁ = I₁ U₁ = 10 Вт;

Рис. В.1. Схема передачи электроэнергии по линии

2) I₂ = 10 А, U₂ = 1 В; P₂ = I₂ U₂ = 10 Вт.

В том и другом случаях получается одна и та же мощность на приемнике электроэнергии, однако мощность W = I²r, которая пойдет на бесполезный нагрев проводов линии, будет различной:

1) W₁ = I₁²r = 1²·0, 01 = 0, 01 Вт; 2) W₂ = I₂²r = 10²·0, 01 = 1 Вт.

Мощности W₁ и W₂ отличаются в 100 раз при отличии токов в 10 раз из-за квадратичной зависимости мощности от тока: W = I²r. Следовательно, чем меньше ток или чем выше напряжение, тем меньше энергии расходуется на бесполезный нагрев проводов.

Величины напряжений, на которых передается электроэнергия, нормированы, они называются классами напряжений: 3; 6; 10; 20; 35; 110; 150; 220; 330; 500; 750; 1150 кВ.

Класс напряжения – это номинальное (U_н), линейное (U_л), действующее (U) напряжение на приёмнике электроэнергии. Линейное напряжение больше фазного напряжения (U_ф) в раз: U_л = U_ф. Ампли­туда U_m (максимальное значение), больше действующего напряжения в раз: U_m = = U. Вольтметры и амперметры измеряют действующее напряжение. На генераторе электроэнергии напряжение выше, для того чтобы скомпенсировать падение напряжения в линии.

Величина напряжения, которая должна быть на генераторе, нормируется в зависимости от класса напряжения, так как с его увеличением стоимость изоляции возрастает не по линейному закону. Напряжение на генераторе есть наибольшее рабочее напряжение (U_{раб max} = kU_н), изоляция кабеля рассчитывается на это напряжение. Коэффициент k принят для классов напряжения 3–220 кВ равным 1, 15; для 330 кВ – 1, 1 и более 500 кВ – 1, 05. Снижение коэффициента k приводит к уменьшению толщины изоляции, т.е. снижению стоимости кабеля. Для уменьшения коэффициента k:

1) применяют меньшие плотности тока, что снижает падение напряжения на активном сопротивлении провода;

2) используют расщепление проводов для снижения индуктивности и, следовательно, уменьшения падения напряжения на индуктивном сопротивлении провода;

3) применяют регуляторы напряжения, которые снижают напряжение при уменьшении нагрузки.

Рис. В.2. ЛЭП с расщепленными проводами

Линия электропередачи с расщепленными проводами представлена на рис. В.2, в каждой фазе устанавливается не один, а несколько проводов, соеди­ненных перемычками, при этом чем дальше разнесены провода, тем меньше индуктивность.

Начальное напряжение ионизации – это наименьшее напряжение, при котором в изоляции возникают слабые разряды, вызывающие ионизаци­онное старение изоляции. В нормально работающей изоляции разрядов не должно быть, при их наличии резко уменьшается срок службы кабеля. При от­сутствии разрядов кабель служит 25–30 лет.

Критическое напряжение ионизации – это напряжение, при котором в изоляции возникают разряды значительной интенсивности, способные вызвать ионизационный пробой за малый промежуток времен.

Уровень изоляции – это испытательное напряжение, которое будучи приложено к изоляции на короткий промежуток времени не вызывает ее пробоя. Уровень изоляции лежит ниже критического напряжения ионизации и зависит от времени приложения испытательного напряжения. Уро­вень изоляции больше номинального напряжения на коэффициент за­паса электрической прочности (рис. В.3), который лежит в пределах 3–5.

 

Рис. В. 3. Запас электрической прочности

Координация изоляции – это согласование уровня изоляции с возможной ве­личиной перенапряжений.

Существуют два пути координации изоляции:

1) установление уровня изоляции выше возможной величины перенапряжений;

2) ограничение перенапряжений разрядниками.

Выбор одного из двух путей производят исходя из экономических соображе­ний, т.е. увеличивать толщину изоляции или устанавливать разрядники.

Режим работы нейтрали зависит от класса напряжения (в следующем ряду жирным шрифтом выделены классы напряжений с заземленной нейтралью):

0, 22; 0, 38; 0, 66; 1; 3; 6; 10; 20; 35; 110; 150; 220; 330; 500; 750; 1150 кВ.

Такое разделение по классам принято в России. В США и Европе нейтраль для всех классов напряжений заземлена. Нейтраль изолируют для того, чтобы при замыкании одной из фаз на землю не происходило отключение линии, т.е. для надежности электроснабжения.

На рис. В.4 изображена трехфазная система с изолированной нейтралью. Емкость каждой фазы на землю равна C. Напряжение на нейтрали равно нулю. На проводах по отношению к земле – фазное напряжение(U_ф), между проводами – линейное напряжение(U_л ).

 

 

Рис. В.4. Схема сети с изолированной нейтралью

Особенностью такой схемы является то, что замыкание провода на землю не вызывает короткого замыкания, поэтому отключение линии не происходит и потребитель продолжает получать электроэнергию (рис. В.5). Однако:

1) напряжение двух других фаз повышается до линейного;

2) в месте соприкосновения провода с землей горит электрическая дуга емкостного тока, что может вызвать перенапряжение и, как следствие этого, двухфазное замыкание из-за перебрасывания дуги на другие фазы и полное отключение линии;

3) возрастает опасность поражения током;

4) появляются помехи в сетях связи.

Рис. В.5. Замыкание одной из фаз на землю

В силу того, что напряжение на фазах может возрасти до линейного, изоляцию необходимо рассчитывать на линейное напряжение. В США и Европе считается экономически выгоднее изготавливать кабели, рассчитанные на фазное напряжение, а надежность электроснабжения обеспечивать надежностью всех элементов энергосистемы. Для погашения дуги однофазного замыкания в нейтраль включаются дугогасящая катушка (рис.В.6).

 

Рис. В. 6. Гашение дуги с помощью катушки индуктивности

При нормальной работе напряжение на нейтрали равно нулю и ток через катушку не протекает. Во время короткого замыкания напряжение на нейтрали возрастает до фазного и через катушку начинает протекать индуктивный ток, который компенсирует емкостный ток, в результате чего ток в месте замыкания на землю резко уменьшается. Катушка имеет отводы для настройки системы в резонанс, такое заземление называется резонансным.

Рассмотрим трехфазную систему с заземленной нейтралью, в которой произошло замыкание одной из фаз на землю (рис. В.7).

 

 

Рис. В.7. Замыкание фазы на землю в сетях с заземленной нейтралью

 

В месте короткого замыкания, между землей и проводом загорается электрическая дуга. Ток короткого замыкания I_к.з приводит в действие систему автоматического повторного включения АПВ, которая установлена на подстанциях: линия на короткий промежуток времени отключается, дуга гаснет. Затем вновь подается напряжение. В том случае, если возникло неустранимое короткое замыкание (перехлест проводов), линия совсем отключается.

При таком характере замыкания напряжение на фазах не может быть больше фазного, следовательно, изоляция рассчитывается на величину фазного напряжения.

 

 

АТМОСФЕРНЫЕ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЯ

Развитие грозового разряда

Атмосферными называют перенапряжения, которые возникают в электрических системах в результате грозовой деятельности. Ультрафиолетовое излучение Солнца и космические лучи ионизируют атмосферу, в результате вокруг Земли на высоте 50 км возникает проводящая оболочка – ионосфера (рис. 1.7). Эта оболочка и Земля образуют сферический конденсатор, который заряжается от разрядов молнии до 400 кВ.

 

Рис. 1.7. Ионосфера Земли

 

Молния, ударяющая в Землю, несет отрицательный заряд, положительные заряды уходят в ионосферу. В электротехнике потенциал Земли принимают за ноль, однако реально на поверхности Земли имеется избыточный отрицательный заряд. Следует различать два явления: излучение делает ионосферу электропроводящей, а молния заряжает этот сферический конденсатор. Воздух не является идеальным диэлектриком, потому непрерывно идет обратный процесс – разряд конденсатора, суммарный ток разряда равен 6 кА. Потенциал Земли в течение суток изменяется, так как интенсивность грозовой деятельности приходится на момент, когда Земля повернута в сторону Солнца Атлантическим океаном, это соответствует 18 часам.

При охлаждении мощных вертикальных потоков теплого влажного воздуха на высоте 3–5 км происходит конденсация паров воды. В силу того, что планета Земля несет на себе избыточный отрицательный электрический заряд, происходит электризация капель воды в электрическом поле Земли. В грозовом облаке капли разбрызгиваются потоками воздуха, что приводит к разделению зарядов.

Экспериментально установлено, что крупные капли приобретают положительный заряд, а мелкая водяная пыль оказывается заряженной отрицательно. Кроме того, кристаллики льда могут быть наэлектризованы трением о воздух или путем облучения их ультрафиолетовыми лучами Солнца.

Крупные положительно заряженные капли выпадают на Землю в виде дождя, унося положительный заряд. Между облаком и Землей возникает электрическое поле средней напряжённостью порядка 0, 1 кВ/мм.

Структура распределения зарядов в грозовом облаке обычно имеет вид, представленный на рис. 1.8. Выше изотермы –10 º С, как показали исследования, сосредотачиваются положительно заряженные частицы, ниже – частицы, несущие отрицательный заряд. В том месте, где поток воздуха входит в облако, имеется местное скопление положительно заряженных частиц.

Рис. 1.8. Распределение зарядов в грозовом облаке

Облако, разделенное по изотерме –10⁰С на разноименно заряженные части, называется биполярным. Если потоками воздуха верхняя часть облака отрывается от его основания, то образуется униполярное облако, несущее заряды одного знака.

Рассмотрим развитие разряда между отрицательным облаком и Землей. Космическое излучение и ультрафиолетовые лучи от солнца непрерывно ионизируют воздух, в 1 см³ каждую секунду образуется и рекомбинирует 60 пар ионов. В том случае, если локальная напряженность электрического поля превысит 2–3 кВ/мм, электрон разгоняется электрическим полем, соударяется с нейтральной молекулой и ионизирует ее (рис. 1.9, а), т.е. происходит ударная ионизация. Далее путь продолжают два электрона, от которых при соударении возникнут еще два электрона, от четырех возникнет восемь и т.д. Пространство, в котором идут процессы ионизации с нарастающей интенсивностью, называется лавиной электронов.

 

а б в

 

Рис. 1.9. Развитие начальной лавины

 

Лавины подразделяются на первичные, образовавшиеся от внешнего источника излучения (рис. 1.9, б), и вторичные, возникшие от излучения первичной лавины (рис. 1.9, в).

Электроны под действием электрического поля уходят из лавины (рис. 1.10, а), оставляя после себя положительные ионы, которые из-за их большей массы перемещаются со значительно меньшей скоростью, чем электроны.

 

 

а б

 

Рис. 1.10. Развитие канала стримера

 

Разделение зарядов сопровождается испусканием фотонов, которые порождают вторичные электроны, и те, в свою очередь, приводят к образованию вторичных лавин, направленных в сторону головки первичной лавины.

Электроны вторичных лавин втягиваются в полость первичной (рис. 10, б) и двигаются по направлению к облаку, образуется поток электронов внутри начальной лавины; такой поток называют стримером. Фронт стримера интенсивно испускает фотоны.

Фотоны, испускаемые фронтом стримера, образуют вторичные лавины, направленные к фронту стримера (рис. 1.11, а). Стример движется по каналу начальной лавины, питаясь электронами вторичных лавин. Амплитуда тока во фронте стримера достигает 10 А. Концентрация ионов в стримере составляет 10¹² ион/см³. Скорость движения фронта стримера 1, 0–10, 0 м/мкс.

Как только стример заполняет весь канал начальной лавины (рис. 1.11, б), происходит образование первичных лавин из конца стримера (рис. 1.11, в).

 

Рис. 1. 11. Стример

 

Ток в канале стримера постоянно увеличивается за счет втягивания в него электронов из вновь образовавшихся вторичных лавин. Так как весь этот ток проходит через прикатодную область (рис. 1.12, а), то именно здесь начинается интенсивная термоионизация. В результате происходит переработка канала стримера в хорошо проводящий плазменный канал – лидер (см. рис. 1.12, б).

Визуально этот процесс наблюдается в виде яркого свечения, быстро распространяющегося по каналу стримера. Концентрация зарядов в лидерном канале достигает 10¹⁸ ион/см³, а ток составляет сотни ампер.

 

 

а б в г

 

Рис. 1.12. Развитие стримера и лидера

 

Лидер движется быстрее стримера (рис. 1.12, б) и в некоторый момент полностью заполнит его, наступает пауза (рис. 1.12, в). Лидер вследствие его высокой проводимости можно уподобить металлическому стержню. Высокая напряженность электрического поля на конце такого стержня приводит к образованию нового стримера, продолжающего разрядный канал (рис. 1.12, г).

Естественно, что такой механизм развития разряда позволяет лидеру перекрывать большие расстояния при относительно малых средних напряженностях поля. Действительно, в длинных воздушных промежутках разряд происходит при средних напряженностях электрического поля порядка 0, 1–0, 2 кВ/мм, причем чем длиннее промежуток, тем меньше напряженность поля, при которой происходит разряд. Это свойство лидерного разряда создает трудности при построении линий электропередач сверхвысокого напряжения.

Лидер продвигается с паузами, поэтому он получил название ступенчатого лидера. После паузы лидер распространяется не прямолинейно к земле, а может изменить направление движения в зависимости от места появления начального электрона у конца лидера. Визуально мы наблюдаем молнию в виде изломанной линии.

Впереди лидерного канала (рис. 1.13, а) прорастают стримеры со скоростью 1–10 м/мкс, прокладывающие путь ступенчатому лидеру. Скорость прорастания каждой ступени лидера 50 м/мкс. Средняя длина ступени 50 м. Пауза между отдельными толчками составляет 30–90 мкс. Потенциал лидера равен 6 МВ, вокруг лидерного канала образуется коронный чехол, в котором сосредотачивается значительная часть заряда лидера.

В момент, когда лидер достигает земли (рис. 1.13, б), по лидерному каналу от земли начинает распространяться разрядная волна, снижающая потенциал лидера до нуля (рис. 1.13, в). Процесс распространения по лидерному каналу разрядной волны называется главным разрядом (или обратным разрядом). Визуально такое явление воспринимается как собственно разряд молнии.

Главный разряд распространяется в ионизированной среде коронного чехла, поэтому скорость движения разрядной волны составляет 15–150 м/мкс. По мере удаления от земли скорость главного разряда и интенсивность свечения уменьшаются.

 

а б в г

 

Рис. 1.13. Переход лидерного канала в стадию главного разряда

 

Скорость движения разрядной волны зависит от времени, которое затрачивается на перестройку канала лидера в главный разряд. Распространение от земли к облаку разрядной волны эквивалентно стеканию в землю отрицательных зарядов лидера. Сначала стекают заряды, сосредоточенные в самом лидерном канале. Когда лидерный канал приобретает нулевой потенциал, возникает явление «обратной короны», т.е. коронного разряда из области коронного чехла по направлению к лидерному каналу. В результате заряд коронного чехла также стекает по лидерному каналу в землю.

Ток главного разряда I = qV, где q – заряд; V – скорость движения заряда. Поскольку скорость главного разряда велика, то амплитуда тока молнии достигает десятков и даже сотен тысяч ампер, однако длительность тока молнии ограничена в основном временем пробега разрядной волны, которое составляет 50–100 мкс.

Главный разряд приводит к резкому возрастанию проводимости канала молнии. Через этот канал по завершению главного разряда стекают остаточные заряды лидера и облака. В этой стадии, называемой стадией послесвечения, ток достигает сотен и лишь изредка тысяч ампер. Этим током через канал молнии переносится основной заряд из той части грозового облака, из которой начался разряд. В стадии послесвечения молния может быть уподоблена дуге постоянного тока между облаком и землей. Эта дуга поддерживается в течение 0, 03–0, 05 с. Стадией послесвечения заканчивается структура одного грозового импульса.

Во многих случаях разряд молнии является многократным, состоящим из ряда следующих друг за другом главных разрядов. После завершения стадии послесвечения первого импульса по его пути из облака к земле прорастает стреловидный лидер, который не имеет ступеней и движется непрерывно. За стреловидным лидером из земли в облако следует второй главный разряд, который затем переходит в дугу. Токи молнии повторных импульсов, как правило, ниже тока первого импульса. Причиной возникновения повторных разрядов являются внутренние разряды в грозовом облаке между нейтрализованной областью и соседними скоплениями зарядов.

Многократный характер разряда молнии наблюдается как мерцание молнии. Суммарный заряд, переносимый молнией, лежит в пределах 20–100 Кл.

 

 

Параметры разряда молнии

 

Ток молнии. Для измерения амплитуды токов молнии применяется ферромагнитный регистратор, который представляет собой стержень, изготовленный из ферромагнитного материала с магнитной проницаемостью μ и имеющий прямоугольную петлю гистерезиса (рис. 1.14). Ферромагнитный регистратор устанавливается вблизи молниеотвода или на опорах ЛЭП. При протекании тока молнии I_м по молниеотводу вокруг него на расстоянии R возникает напряженность магнитного поля (рис. 1.15)

 

. (1.38)

 

Максимальное значение магнитной индукции B_max = μ μ ₀H_max намагнитит регистратор доостаточной индукции B_r, где μ ₀ = 4π 10^-7Гн/м – магнитная постоянная.

 

 

Рис. 1.14. Петля гистерезиса для магнитного материала

Рис. 1.15. Измерение тока молнии

 

Измерив в лаборатории с помощью магнитометра остаточную индукцию B_r и учтя, что для прямоугольной петли гистерезиса B_r » B_max, по формуле (1.38) вычисляем ток молнии I_м.

Вероятность амплитуд тока молнии. Регистраторы устанавливаются в начале грозового сезона, а в конце снимаются, и по ним определяется ток молнии. Массовые измерения токов молнии позволили построить кривые вероятности амплитуд токов молнии. На рис. 1.16 представлена зависимость амплитуды тока молнии от вероятности ее появления для средней климатической полосы России. Наиболее часты токи молнии до 50 кА. Токи молнии 50–100 кА встречаются редко, а свыше 100 кА – очень редко и, следовательно, должны учитываться только при проектировании весьма ответственных объектов.

С увеличением высоты местности кривые вероятностей токов молнии снижаются.

Рис. 1.16. Кривая вероятности амплитуд тока молнии

Крутизна фронта тока молнии. Волна тока молнии i_м возрастает до амплитудного значения I_м за время τ _ф (длительность фронта или длина фронта, измеренная по оси времени) и спадает до половинного значения за время τ _в (длительность волны или длина волны, измеренная по оси времени).

Важным параметром при расчете грозозащиты является крутизна фронта тока молнии, это отношение амплитуды тока молнии I_м к длительности фронта τ _ф (рис. 1.17):

 

, кА/мкс. (1.39)

 

Крутизну фронта тока молнии измеряют также с помощью ферромагнитного регистратора, однако схема измерения другая (рис. 1.18). Вблизи молниеотвода располагают рамку с подключенной к ней катушкой L, в которую вставлен ферромагнитный регистратор. Молниеотвод и контур, образованный рамкой и катушкой, имеют между собой взаимоиндукцию М. Регистратор расположен параллельно молниеотводу, поэтому он намагничивается только от магнитного поля катушки и не намагничивается от магнитного поля с напряженностью H, возникающего вокруг молниеотвода.

Рис. 1.17. Крутизна фронта тока молнии

Рис. 1.18. Измерение крутизны фронта тока молнии

 

Во время прохождения тока молнии i_м через молниеотвод вокруг него возникает переменный магнитный поток, который пронизывает контур, наводя в нем ЭДС:

. (1.40)

ЭДС вызывает протекание тока в рамке I = E/r, где r – сопротивление контура. Это формула справедлива при условии, что постоянная времени контура T = L/r должна быть много меньше длины фронта волны τ _ф. В этом случае индуктивность не будет влиять на фронт волны, т. е. не будет его сглаживать.

В лаборатории магнитометром измеряется остаточная индукция B_r, которая примерно равна B_max, по кривой гистерезиса B_max = μ μ ₀H_max определяется H_max. Затем по максимальной напряженности магнитного поля H_max, которая была в катушке, рассчитывается ток в рамке I. По закону Ома вычисляется ЭДС E = Ir и далее определяется крутизна a = di_м/dt = E/M. Взаимоиндукция М между молниеотводом и рамкой определяется геометрическими размерами и взаимным расположением. Вся цепочка вычислений выглядит следующим образом:

.

От крутизны фронта тока молнии зависит величина перенапряжений: чем больше крутизна, тем более высокие потенциалы наводятся на проводах ЛЭП.

Вероятность крутизны фронта тока молнии. Массовые измерения крутизны фронта тока молнии позволили построить вероятность появления разряда молнии с крутизны фронта a (рис.1.19).

Для средней климатической полосы России наиболее часты разряды молнии с крутизной фронта 20 кА/мкс, редко – 60 кА/мкс.

Рис. 1.19. Вероятность P появления разряда молнии с крутизной фронта a

Воздействие тока молнии. Грозовой разряд оказывает электромагнитное, тепловое и механическое воздействие. Электромагнитное воздействие проявляется в индуктировании напряжения на проводах вблизи места удара за счет большого и быстро изменяющегося тока молнии в стадии главного разряда. Эти напряжения могут достигать сотен киловольт.В месте удара молнии в провод ЛЭП происходит выделение тепла. Ток молнии, вызывающий нагревание проводника до температуры плавления или испарения, определяется по формуле

 

, (1.41)

 

где S – сечение проводника, мм²; τ _в – длина волны, мкс (см. рис. 1.17); k – коэффициент, для меди k = 300–330, для алюминия k = 200–230.

Механическое воздействие возникает при ударах молнии в деревянные опоры ЛЭП, вода в древесине вскипает, испаряется, и опора разрушается.

Полярность разряда. Полярность разряда измеряется с помощью клидонографа (рис. 1.20).

 

 

 

Рис. 1.20. Клидонограф и фигуры Лихтенберга

 

Между электродами игла – плоскость размещена стеклянная фотографическая пластина. Вся система помещена в светонепроницаемый футляр. Игла через делитель напряжения подключена к молниеприемнику. Во время удара молнии в молниеприемник, под воздействием напряжения в слое воздуха у иглы возникают ионизационные процессы, сопровождающиеся свечением. После проявления фотографической пластины выявляются характерные фигуры, так называемые фигуры Лихтенберга.

Форма фигуры зависит от полярности. При положительной полярности иглы фигура Лихтенберга имеет разветвленное строение, так как положительные ионы отталкиваются от иглы, образуя стримеры, которые затухают по мере удаления от иглы. При отрицательном напряжении на игле фигура имеет вид звездочки, так как положительные ионы стягиваются к игле, тем самым экранируя ее отрицательный заряд, что мешает распространению стримеров от иглы.

С увеличением напряжения увеличивается площадь фигуры из-за повышения интенсивности ионизации. При равных напряжениях площадь положительной фигуры будет больше. Напряжение на игле не должно быть более 20 кВ, в противном случае стеклянная пластина пробьется.

Интенсивность грозовой деятельности. Интенсивность грозовой деятельности характеризуют числом грозовых дней в году n_д либо числом грозовых часов в году n_ч. Число грозовых дней в году определяется по данным метеорологических станций. В настоящее время построена подробная карта грозовой деятельности на европейской части России. Число грозовых дней в году в средней полосе России – 20, в пустынях и в тундрах – 5, в южных районах – до 35, в тропических (некоторые районы Африки) – от 100 до 140. Средняя продолжительность грозы составляет 1, 5 часа. Продолжительность гроз в течение года определяет количество разрядов молнии в единицу поверхности земли. В России каждый квадратный километр поверхности поражается в среднем 2–3 раза в год.

Грозы бывают тепловые и фронтальные. Фронтальные возникают при перемещении масс холодного и теплого воздуха вдоль поверхности земли (рис. 1.21), холодный воздух с севера подтекает под теплый воздух и вытесняет его. После таких гроз устанавливается холодная погода. В том случае, если теплый воздух движется с юга, он смещает холодный воздух на север, на фронте идут грозы. После грозы устанавливается теплая погода.

Фронт гроз как при движении с севера на юг, так и с юга на север имеет значительную протяженность и перемещается на большие расстояния, т.е. фронтальные грозы охватывают значительные поверхности земли. В этот заключается их опасность.

 

 

Рис. 1.21. Фронтальная гроза

 

Тепловые грозы возникают при вертикальной конвекции теплого влажного воздуха. Такие грозы менее опасны, так как они локальны и для них характерны разряды между облаками, в то время как для фронтальных гроз характерны удары молнии в землю.

 

Молниеотводы

 

Рис. 1.22. Молниеотвод

Всякий молниеотвод (рис. 1.22) состоит из молниеприёмника, возвышающегося над защищаемым объектом, токоведущего спуска и заземлителя, расположенного в земле. Хорошее заземление молниеотвода является необходимым условием надежной защиты, так как при ударе молнии в плохо заземленный молниеотвод на нем возникает высокое напряжение, способное вызвать пробой с молниеотвода на защищаемый объект. Не меньшее значение имеет осуществление надежных электрических соединений между всеми частями молниеотвода, так как при прохождении тока молнии в местах плохих контактов возникает интенсивное искрение, которое может привести к пожару.

По условием термической устойчивости площадь поперечного сечения токоведущего спуска должна быть равна 25 мм², однако из условий коррозионной стойкости токоведущий спуск делается площадью 50 мм² из стальных проволок диаметром 8 мм. Применение стального многопроволочного троса по условиям коррозии не рекомендуется.

Пространство вокруг молниеотвода, вероятность попадания молнии в которое маловероятно, называется зоной защиты. Зона защиты имеет форму шатра.

Лидер молнии, спускаясь из грозового облака, не чувствует присутствия молниеотвода вплоть до высоты Н. Направление развития лидера устанавливается исключительно самим лидером. Однако, начиная с высоты Н, на направление развития лидера влияет неоднородность электрического поля, вызванная присутствием молниеотвода, и лидер молнии прорастает на молниеотвод. Высота Н называется высотой ориентировки молнии. Для молниеотводов высотой до 30 м высота ориентировки молнии H = kh, где h – высота молниеотвода; k – коэффициент пропорциональности, равный 20 для стержневых молниеотводов и 10 для тросовых. Для стержневых и тросовых молниеотводов высотой более 30 м высота ориентировки молнии равна соответственно 600 и 300 м.

Стержневые молниеотводы . На рис. 1.23 изображен одиночный стержневой молниеотвод высотой h. Разряды молнии, которые проходят не далее чем на расстоянии R = 3, 5h, будут захвачены молниеотводом. Расстояние R называетсярадиусом зоны 100 %-го попадания молнии в молниеотвод.

 

Рис. 1.23. Стержневые молниеотводы

Рис. 1.24. Упрощенное построение зоны защиты одиночного молниеотвода

 

Разряды молнии, которые проходят далее чем на расстоянии R ударят в землю, но не ближе r = 1, 6h. Расстояние r называетсярадиусом зоны защиты на уровне земли. На рис. 1.24 представлено упрощенное построение зоны защиты. На уровне земли откладываются расстояния 0, 75h и 1, 5h, от вершины молниеотвода вниз – расстояние 0, 2h. Точки соединяются прямыми линиями как показано на рис. 1.24. Обведенный контур есть зона защиты.

В том случае, если два равновысоких молниеотвода находятся на расстоянии а = 2R = 7h, зоны 100 %-го попадания в молниеотвод на высоте ориентировки молнии соприкасаются (рис. 1.25), поэтому молния не может прорваться через защиту и ударить в землю.

 

Рис. 1.25. Соприкосновение зон 100 %-го попадания в молниеотвод

на высоте ориентировки молнии H

 

При сравнивании рис. 1.24 и 1.25 видно, что два рядом стоящих молниеотвода имеют зону защиты большую, чем сумма зон защиты двух одиночных молниеотводов. В том случае, если нужно защитить точку, находящуюся посередине между молниеотводами на высоте h₀, то должно выполняться соотношение a < 7(h – h₀) (рис. 1.26). При известном расстоянии между молниеотводами (h – h₀) = a/7.

 

Рис. 1.26. Зона защиты двух рядом стоящих стержневых молниеотводов

 

Построение зоны защиты для двух молниеотводов, имеющих разную высоту, показано на рис. 1.27. Сначала строится зона защиты более высокого молниеотвода h₂, затем зона защиты меньшего молниеотвода h₁ только с внешней стороны. Через вершину молниеотвода меньшей высоты проводится горизонтальная линия до пересечения с зоной защиты большего молниеотвода. Точке пересечения защищена, поэтому можно предположить, что здесь находится молниеотвод высотой h₁ (фиктивный), далее между молниеотводами равной высоты строится зона защиты обычным образом.

 

 

Рис. 1.27. Зона защиты двух стержневых молниеотводов разной высоты

 

Отдельно стоящие молниеотводы высотой до 20 м выполняются из стальных труб, применение растяжек не допускается. Молниеотводы высотой более 20 м выполняются в виде решетчатых конструкций. В качестве несущих устройств могут использоваться конструкции защищаемых объектов.

Тросовые молниеотводы. Тросовые молниеотводы применяются для защиты линий электропередачи. Зона защиты тросового молниеотвода показана на рис. 1.28. Она строится так же, как и для стержневого молниеотвода, с той лишь разницей, что ширина зоны 100 %-го попадания в молниеотвод на высоте ориентировки молнии H равна B = 2h, а ширина зоны защиты на уровне земли b = 1, 2 h.

 

 

Рис. 1.28. Зона защиты тросового молниеотвода

 

В электроустановках тросы используются в основном для защиты проводов ЛЭП. Разница высот между тросом и проводом составляет меньше 0, 2h, поэтому пользуются не зонами защиты, а углами защиты (рис. 1.29). Угол защиты тросового молниеотвода – это угол между вертикалью, проходящей через трос, и линией, проходящей через трос и провод. Оптимальный угол защиты 20–25º, при меньшем угле может оказаться незащищенным центральный провод.

12345678910Следующая ⇒

Поделиться: