- •Л.А. Ковригин техника высоких напряжений
- •Введение
- •Атмосферные перенапряжения
- •1.1. Волновые процессы в линиях электропередачи
- •1.1.1. Прохождение электромагнитной волны через узловую точку
- •1.1.2. Прохождение электромагнитной волны через индуктивность
- •1.1.3. Прохождение электромагнитной волны мимо емкости
- •1.2. Развитие грозового разряда
- •Важным параметром при расчете грозозащиты является крутизна фронта тока молнии, это отношение амплитуды тока молнии Iм к длительности фронта τф (рис. 1.17):
- •1.4. Молниеотводы
- •1.5. Заземлители
- •Порядок устройства заземлителей:
- •1) Измеряется удельное объемное сопротивление грунта;
- •1.6. Разрядники
- •1.6.1. Структура времени разряда
- •1.6.2. Вольт-секундная характеристика искрового промежутка
- •1.6.3. Принцип защиты объекта разрядником
- •1.6.4. Трубчатый разрядник
- •1.6.5. Вентильный разрядник
- •1.6.6. Магнитно-вентильный разрядник
- •1.6.7. Ограничитель перенапряжения нелинейный
- •1.7. Грозозащита линий электропередачи
- •1.7.1. Индуктированные перенапряжения на лэп
- •1.7.2. Прямой удар молнии в опору лэп, не защищенную тросами
- •1.7.3. Прямой удар молнии в опору лэп с тросами
- •На изоляцию будет воздействовать напряжение:
- •1.7.4. Прямой удар молнии в провод лэп
- •1.7.5. Прямой удар молнии в трос в центре пролета
- •Через τфнапряжение начнет спадать (рис. 1.50,б).
- •1.7.6. Общие принципы защиты лэп
- •1. 8. Грозозащита подстанций
- •1.8.1. Допустимое расстояние между вентильным разрядником и защищаемым объектом
- •1.8.2. Грозозащита подстанций на напряжение 3–20 кВ
- •1.8.3. Грозозащита подстанций на напряжение 35–220 кВ
- •1.8.4. Грозозащита подстанций на напряжение 500 кВ
- •1.8.5. Грозозащита вращающихся машин
- •2. Внутренние перенапряжения
- •2.1. Общие сведения
- •2. 2. Перенапряжения при отключении ненагруженных линий
- •Возникновение перенапряжений можно избежать при отключении трансформаторов со стороны низкого напряжения (рис. 2.5, б). В этом случае линия разрядится через обмотку трансформатора.
- •2.3. Перенапряжения при отключении трансформаторов
- •С учетом (2.2) уравнение (2.8) примет вид
- •3. Корона на проводах лэп
- •3.1. Общие сведения
- •Зная критическую напряженность, можно определить критическое напряжение образования короны:
- •3. 2. Корона на проводах лэп при постоянном напряжении
- •3.3. Корона на проводах лэп при переменном напряжении
- •3.4. Корона на проводах лэп при импульсном напряжении
- •Скорость распространения волны вдоль некоронирующей линии равна скорости света c:
- •4. Высоковольтные испытательные установки и измерение высоких напряжений
- •4. 1. Одноступенчатый генератор импульсных напряжений
- •Заряд емкости Сф идет в соответствии с уравнением
- •Одновременно идет разряд Сг через Rхв:
- •4. 2. Многоступенчатый гин
- •4.3. Генератор постоянного напряжения
- •4.4. Испытательные трансформаторы
- •4.5. Измерение высоких напряжений
- •4. 5.1. Шаровые разрядники
- •4.5.2. Электростатические вольтметры
- •Достоинством электростатического вольтметра является линейность шкалы, что видно из формулы (4.23). Предел измерения и чувствительность вольтметра регулируются площадью пластин и упругостью пружины.
- •4.5.3. Делитель напряжения
- •4.5.4. Генерирующий вольтметр
1.4. Молниеотводы
Рис. 1.22. Молниеотвод |
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 называется радиусом 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 называется радиусом 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.
Рис. 1.29. Угол защиты тросового молниеотвода |
Вероятность прорыва молнии. Одиночный стержневой молниеотвод принимает на себя разряды молнии в окружности радиусом R = 3,5h. При высоте молниеотвода h = 30 м, R = 3,5h =
= 3,5·30 100 м. Площадь такого круга
S = R2 = 3,14·1002 30 000 м2 0,03 км2. Известно, что в средней климатической полосе России 1 км2 поверхности земли поражается разрядами молнии в среднем 2,5 раза в год. Следовательно, 0,03 км2 будет поражен 0,075 раза в год, или один раз в 1/ 0,075 = 13 лет. Таким образом, одиночный стержневой молниеотвод высотой 30 м будет поражаться один раз в 13 лет. Предположим, что подстанция защищена 10 молниеотводами, у которых зона защиты определена с вероятностью 0,1 % (или 0,001 в относительных единицах). Тогда будем иметь поражение одного из 10 молниеотводов один раз в 1,3 года, при этом прорыв молнии произойдет в 0,001 случаев, т. е. один раз 1,3/0,001 = 1300 лет. Следовательно, для стержневых молниеотводов необходимость уточнения вероятности, с которой определены зоны защиты, не возникает.
Линии электропередачи из-за своей протяженности очень часто поражаются молниями. Каждые 100 км ЛЭП поражаются 15–20 раз в год в средней полосе России, поэтому для ЛЭП расчет вероятности защиты с помощью тросов приобретает важное значение. Вероятность Рα прорыва молнии через тросовую защиту определяется по формуле
, (1.42)
где α – угол защиты; hоп – высота опоры.
Рассчитаем две линии, имеющие одинаковые углы защиты в 45º. Высота первой опоры 16 м, второй – 36 м. Определим вероятность прорыва для двух случаев:
1. ; Pα = 0,01, или 1 %;
2. ; Pα = 0,1, или 10 %.
Из примера видно, что с увеличением высоты опор необходимо уменьшать угол защиты с тем, чтобы вероятность прорыва молнии оставалась прежней. Стремление применить углы защиты меньше оптимальных 20–25º приводит к значительному утяжелению опор, так как меньшие углы можно получить, увеличивая горизонтальный разнос проводов или поднимая выше трос.
Допустимое расстояние между молниеотводом и защищаемым объектом. Защищаемый объект должен полностью входить в зону защиты, вместе с тем он должен располагаться на определенном расстоянии от молниеотвода. Если это расстояние слишком мало, то при ударах молнии могут происходить перекрытия с частей молниеотвода на защищаемый объект. Разряд молнии, проходя по молниеотводу, создает падение напряжения на сопротивлении заземлителя и индуктивности токоотвода:
, (1.43)
где Iм – амплитуда тока молнии; Rи – импульсное сопротивление заземлителя; L – индуктивность токоотвода; diм/dt – крутизна фронта тока молнии.
Пусть молния с амплитудой 100 кА и крутизной фронта 50 кА/мкс ударила в молниеотвод высотой 20 м с удельной индуктивностью токоведущих спусков 1,7 мкГн/м и сопротивлением заземлителя 10 Ом. Напряжение на молниеотводе U = 100 кА · 10 Ом + 1,7 мкГн/м · 20 Ом ·50 кА/мкс = 1000 кВ+ + 1700 кВ = 2,7 МВ.
Расстояние от молниеотвода до объекта должно выбираться из условия:
S > U/Eдоп, где Eдоп = 500 кВ/м для воздуха. Для предотвращения перекрытия от заземлителя на объект, расположенный в земле, расстояние должно быть вычислено по формуле: S > Iм Rи /Eдоп, где Eдоп = 300 кВ/м для земли.