1.2.2. Прямые удары молнии в линии электропередачи и в другие элементы электроустановок

Прямое попадание молнии в линию электропередачи. Результатом такого воз­действия является бегущая волна, распро­страняющаяся вдоль линии электропере­дачи.

При прямом попадании молнии в фаз­ный провод вид фронта и спада импульса напряжения зависит от формы тока мол­нии. Длительность фронта импульса может составлять доли микросекунд, а его кру­тизна достигать 50 МВ/мкс. Крутизну импульса напряжений можно рассчитать по следующей формуле:

,

где - волновое сопротивление линииэлектропередачи.

Импульс напряжения имеет длительность (время до момента уменьшения импульса до половины его амплитуды) порядка несколь­ких десятков микросекунд.

В случае обратного перекрытия — с опоры или заземленного троса на фазный провод — длительность фронта импульса напряжения составляет порядка нескольких десятков наносекунд (до нескольких сотен наносекунд при большой длине проме­жутка), а длительность импульса меньше, чем в случае прямого попадания молнии в фазный провод, и составляет от 5 до 15 мкс.

В обоих случаях наклон импульса сглаживается в той части фронта импульса, где напряжение превышает начальное напряжение возникновения импульсной короны , что приводит к уменьшению крутизны фронта импульса при прохожде­нии ею некоторого расстояния .

Для инженерного расчета крутизны фронта бегущего импульса на расстоя­нии от места удара молнии используют следующую формулу:

,

где - крутизна фронта импульса в местеудара молнии, кВ/мкс; - расстояние, м; -параметр искажения.

Эффект сглаживания фронта импульса имеет огромное значение. Так, на расстоя­нии около 1 км (или немного меньше) от места удара молнии вне зависимости от формы импульса в месте удара крутизна фронта импульса будет не меньше 1 МВ/мкс.

Для ЭМС наиболее важным является перекрытие изоляции ВЛ. Вследствие про­боя образуется резкий срез импульса напряжения (обычно на спаде) длительно­стью порядка десятков или нескольких сотен наносекунд.

При движении импульса вдоль ВЛ кру­тизна этого среза остается практически неизменной, так как импульсная корона не оказывает на него заметного влияния. Кру­тизна этого среза может уменьшаться только из-за потерь в линии.

Таким образом, срезанный импульс, возникающий при перекрытии линейной изоляции, оказывает более сильное воз­действие на оборудование (например, на вторичные обмотки трансформатора тока), присоединенное непосредственно к линии, чем фронт.

Удары молнии на территории под­станции. При расчете эффектов, обуслов­ленных молнией при прямом ударе в эле­менты подстанций (здания, молниезащитные тросы или заземленные токоведущие части открытой подстанции), ВЧ-излучение, создаваемое каналом молнии, обычно не учитывают.

В этой ситуации основную роль играет распределение импульсных токов молнии по элементам подстанции, включая обору­дование, попадающее в зону растекания -тока молнии.

Можно отметить два основных механиз­ма передачи помех:

низкочастотный, связанный с повы­шением потенциала заземлителя и напря­мую связанный с амплитудой тока молнии;

высокочастотный, зависящий главным образом от пространственного распо­ложения элементов подстанции (и в меньшей степени связанный с их заземлением) л напрямую связанный с крутизной фронта тока молнии.

На практике непосредственные попада­ния молнии в элементы подстанции могут рассматриваться как квазистационарные явления. Из этого следует, что для практи­ческого моделирования пригодна теория цепей, особенно в тех случаях, когда эле­менты могут быть представлены в виде взаимосвязанного набора проводящих вет­вей. Таким образом, с помощью классиче­ской теории цепей можно оценить распре­деление импульсных токов по объекту.

Процессы, происходящие в модели, ана­лизируются в некотором диапазоне частот, а затем с помощью принципа суперпозиции ' оцениваются результаты воздействия при различных частотах.

Основные особенности разработанной модели сводятся к следующему:

• при оценке помех цепи или элементы сооружения представляют как часть сети, а напряжения и токи в них определяют как наведенные в элементах сети. При таком подходе становится возможным анализ распространения импульса, если рассматрива­емое сооружение достаточно дискретизировано и учтены паразитные емкости;

• математическая модель позволяет одновременно учесть взаимодействия между всеми токами, протекающими в различных ветвях элементов модели сети. При расчете активного сопротивления ветвей учитывается поверхностный эффект. Между двумя соседними узлами может быть помещена ветвь, представляющая - цепочку, Еслирасстояние между ветвями много больше их размеров, то взаимные индуктивности между этими ветвями можно не учитывать;

• в модели наличие земли учитывают посредством отображений проводников на определенной глубине в земле, в зависи­мости от частоты тока и удельного сопро­тивления земли.

На рис. 1.7 приведены результаты лабо­раторных испытаний, достаточно хорошо согласующиеся с результатами расчетов.

Рис 1.7. Результаты расчетов и лабораторных испытаний:

а - распределение импульсных токов по ветвям 1 и 2 объекта (смоделированного сеткой из медной проволоки диаметром 1 мм с ячейками размером 500 мм), полученное при воздействии импульсного тока стандартной формы; б - измеренное (пунктир) и расчетное (сплошная линия) значение тока в одной из ветвей проволоч­ной сетки, обозначенной цифрой 1