ЛЕКЦИЯ 12,13 РАЗДЕЛ 8

Грозовые перенапряжения и молниезащита электрических установок

Введение

8.1Молния как источник грозовых перенапряжений

8.1.1Развитие молнии

8.1.2Электрические характеристики молнии

8.1.3Характеристики грозовой деятельности

8.1.4Шаровая молния

8.2Молниеотводы

8.2.1Принцип действия молниеотводов

8.2.2Зоны защиты молниеотводов

8.2.3Заземление молниеотводов

8.2.4Условие безопасного прохождения тока молнии по молниеотводу

8.2.5Конструктивное выполнение молниеотводов

Введение

Надежная работа электрических систем высокого напряжения в основном определяется изоляцией и теми напряжениями, которые на эту изоляцию воздействуют. При нормальной работе электрической системы изоляция токоведущих частей находится под фазным напряжением сети. Однако по различным причинам в той или иной части электрической системы напряжение может повышаться и значительно превышать напряжения нормального режима.

Перенапряжения – повышения напряжения, которые могут быть опасными для изоляции. Перенапряжения можно разделить на внутренние и атмосферные (внешние).

Атмосферные перенапряжения возникают при поражении электрической установки грозовыми разрядами. С грозовым разрядом при отсутствии специальной защиты связано возникновение волн перенапряжений, достигающих нескольких миллионов вольт. Такие перенапряжения достаточны для перекрытия и повреждения изоляции установок любого номинального напряжения. Поэтому защита от атмосферных перенапряжений является обязательным элементом надежной работы электрической системы.

Внутренние перенапряжения возникают при переключениях в сети, при дуговых замыканиях на землю в сетях с изолированной и компенсированной нейтралью, а также при резонансных явлениях,

1

возникающих на длинных линиях и в несимметричных режимах. Внутренние перенапряжения, которые существенно зависят от характеристик оборудования, в первую очередь выключателей, и схем сети, имеют обычно амплитуды в пределах 2,5-3,5 фазного напряжения сети. Изоляция электрических установок рассчитывается на воздействие внутренних перенапряжений.

8.1Молния как источник грозовых перенапряжений

8.1.1 Развитие молнии

Молния представляет собой электрический разряд между облаком и землей или между облаками. Молнии предшествует процесс разделения и накопления электрических зарядов в грозовых облаках, происходящий в результате возникновения в облаках мощных восходящих воздушных потоков и интенсивной конденсации в них водяных паров.

2

		Капли воды, достигшие области
	отрицательных температур, замерзают.
	Замерзание		начинается		с	поверхности
	капли, которая покрывается тонкой
	корочкой льда. Выделяющееся при этом
	тепло поддерживает температуру внутри
	капли около 0 ºС. Имеющиеся в воде
	положительные ионы				под	действием
	разности температур			перемещаются к
Рис.8.1 Электрические заряды и	поверхностному слою капли и заряжают
воздушные потоки в грозовом облаке	его	положительно,		в	то	время как
	жидкой части капли (сердцевине)
	сообщается		при этом			избыточный

отрицательный заряд. Когда замерзает сердцевина капли, то вследствие ее расширения ранее замерзший поверхностный слой лопается, и его положительные заряженные осколки уносятся потоком воздуха в верхние части облака. Таким образом, нижняя часть грозового облака оказывается заряженной отрицательно, а вершина положительно. Это один из основных процессов электризации грозовых облаков, и поэтому в большинстве случаев (до 90%) молнии бывают отрицательными, то есть переносят на землю отрицательный заряд.

В средних широтах землю поражают 30-40% общего числа молний, остальные 60-70% составляют разряды между облаками или между разноименными заряженными частями облаков.

Грозовое облако, заряженное с нижней стороны в основном отрицательными зарядами, образует гигантский конденсатор, другой “обкладкой” которого является земля, где на поверхности индуктируются положительные заряды.

По мере концентрации в нижней части облака отрицательных зарядов увеличивается напряженность электрического поля, и когда она достигает критического значения (20-24 кВ/см в зависимости от высоты облака над землей), происходит ионизация воздуха и в сторону земли начинает развиваться разряд.

Механизм развития молнии. 1) Начальная стадия – лидерная.

Молния представляет собой относительно медленно (V=1,5·105 м/с) развивающийся слабо светящийся канал – лидер. Зона ионизации лидера имеет избыточный заряд того же знака, что и облако. Заряды облака и лидера индуктируют на поверхности земли и на расположенных на ней объектах заряды другого знака. По мере приближения лидера к земле индуктированный заряд и напряженность поля на вершинах возвышающихся над поверхностью земли объектов возрастают и с них могут начать развиваться встречные лидеры, имеющие заряды, по знаку обратные заряду лидера. Ток в лидерной стадии молнии имеет порядок десяток и сотен ампер.

2) Главный разряд.

3

Когда канал развивающегося от облака лидера приближается к земле или к одному из встречных лидеров, то между ними на расстоянии 25-100 м возникает высокая напряженность электрического поля, среднее значение которой оценивается в 10 кВ/см. Промежуток этот пробивается за несколько микросекунд и в нем выделяется энергия порядка 0,5-5 МДж, которая расходуется на нагрев и термоионизацию. Проводимость этой части канала резко возрастает, и зона повышенной напряженности перемещается к облаку со скоростью от 1,5·107 м/с до 1,5·108 м/с (0,05-0,5 скорости света). Процесс этот называется главным разрядом и сопровождается сильным свечением канала разряда. Ток в канале за 5-10 мкс достигает десятков и даже однойдвух сотен килоампер, а затем за время 25-200 мкс спадает до половины амплитудного значения. В течении этого очень короткого времени канал разряда разогревается до температуры 20-30 тыс. ºС.

При нагревании канал разряда быстро расширяется, что вызывает распространение в окружающем воздухе ударной волны, имеющей на своем фронте высокое давление и воспринимаемое как гром. Во время главного разряда происходит нейтрализация зарядов лидера.

3) Завершающая стадия По каналу в течении десятков миллисекунд проходит ток порядка

десятков и сотен ампер. В это время нейтрализуются заряды облака. Часто на ток финальной стадии накладываются импульсы тока повторных разрядов, во время которых разряжаются на землю скопления зарядов, расположенные в разных местах по высоте грозового облака. Лидер повторных разрядов – так называемый стреловидный лидер – движется со скоростью превосходящей скорость лидера первого разряда и имеющей порядок 106 м/с, поскольку он развивается по уже образованному каналу. Скорости нарастания тока главного разряда в повторных разрядах выше, чем в первом, а амплитуды ниже. Яркие вспышки канала при повторных разрядах воспринимаются как мерцание молнии. Чаще всего длительность удара молнии не превышает 0,1с.

8.1.2 Электрические характеристики молнии

Переход от лидерной стадии к главному разряду можно имитировать замыканием на землю вертикального заряженного провода (рис. 8.2)

Будем считать, что во время лидерной стадии сформировался проводящий канал (вертикальный провод) с постоянной плотностью отрицательного заряда на единицу длины σ. При замыкании ключа К происходит нейтрализация отрицательного заряда за счет положительных зарядов, поступающих в канал молнии с поверхности земли.

Если волна нейтрализации распространяется вверх со скоростью V, то амплитуда тока:

4

Упрощенная звития главного

Iм=σV		(8.1)
		Где σ – плотность отрицательного заряда на единицу
		длины (Кл/м).
Если провод замыкается на землю через некоторое сопротивление R,
то ток уменьшается и определяется как:
I м =σV	Z	(8.2)
	Z + R

где Z – эквивалентное волновое сопротивление канала молнии (300-600 Ом) При таких значениях Z влияние сопротивления заземления, по крайней мере до R=50 Ом, невелико и с достаточной степенью точности для расчетов молниезащиты можно принимать эквивалентное волновое сопротивление канала молнии бесконечно большим, то есть рассматривать

молнию как источник тока.

С точки зрения электромагнитного воздействия на установки высокого напряжения важное значение имеют форма и значение тока главного разряда. Приближенно он имеет вид апериодического импульса

(рис.8.3)

Рис. 8.3 Определение параметров импульса тока молнии

Важнейшей характеристикой является максимальное значение тока молнии Iм, часто называемое просто током молнии.

Крутизна фронта тока молнии

	a =	dim	(8.3)
		dt

определяет индуктивные падения напряжения в проводниках и индуктированные напряжения в магнитно-связанных цепях. Однако удобнее бывает пользоваться средней крутизной:

аср =

IM

(8.4)

τФ

это не вносит существенной ошибки при способе определения продолжительности фронта, показанном на рис.8.3.

Между амплитудой и крутизной фронта тока молнии имеется слабая положительная корреляционная связь: большим токам соответствует большая крутизна. Однако данных пока недостаточно, поэтому принято считать Iм и а независимыми случайными величинами. В этом случае:

5

P(Iм,а)≈P(Iм)+ P(a)

(8.5)

где P(Iм) и P(a) – вероятности того, что ток молнии и крутизна будут равны или превысят заданные значения;

P(Iм)=e-0,04Iм	(8.6)
P(а)=e-0,04а	(8.7)

При проектировании молниезащитных устройств необходимо учитывать тепловое и электродинамическое действия молнии. Значения зарядов, переносимых молнией, характеризуют энергию, выделяющуюся в точке удара молнии, и расплавление металла в этом месте. Интеграл квадрата

тока ∫iм2 dt , называемый также иногда интегралом действия или импульсом

квадрата тока, определяет механические воздействия и нагрев проводников при прохождении по ним тока молнии.

8.1.3 Характеристики грозовой деятельности

Одновременно на земном шаре существует примерно 2000 грозовых очагов, из которых ежесекундно происходит 100 ударов молнии.

Интенсивность грозовой деятельности в данной местности характеризуется средним числом грозовых часов в году DГ. Число грозовых часов минимально в высоких широтах и постепенно увеличивается к экватору, где повышенная влажность воздуха и высокая температура, способствуют образованию грозовых облаков, практически в течении всего года.

На основании многолетних метеорологических наблюдений для России построена карта грозовой деятельности.

Таблица 8.1

Характеристики грозовой деятельности в России

Среднегодовая Регион

продолжительность гроз в часах, Dг

Менее 10	Крайний север
От 10 до 20	Игарка, Якутск, верховья Оби
20 – 40	Ленинград, Ханты-Мансийск, Дальний восток
40 – 60	Европейская часть, Новосибирск, Красноярский край
60 – 100	Горные районы, Кавказ
Более 100	Красная поляна, Сочи

Таблица 8.2

Характеристики грозовой деятельности в мире

Число грозовых дней в году Среднегодовая Регион

продолжительность гроз в часах, Dг

6

100	250	Вьетнам
130	300	Бразилия
150	350	Средняя Африка и южная
		Мексика
200	600	о. Ява
322	900	г. Богор (о. Ява)

Другая характеристика грозовой деятельности – среднее число ударов

молнии nуд в 1 км2 поверхности земли за 100 грозовых часов. На территории России nуд=6,7 1/ км2 за 100 грозовых часов.

Возвышающиеся над землей объекты вследствие развития с них встречных лидеров собирают удары молнии с площади, превышающей их территорию. Число ударов молнии за 100 грозовых часов в сооружение, например в подстанцию, длиной А, шириной В и высотой Н (размеры в метрах) может быть рассчитано по формуле:

nуд=6,7(А+7Н)(В+7Н)·10-6							(8.8)
Число ударов молнии в 100 км ВЛ за 100 грозовых часов:
nуд=6,7·100 · 6hср≈4hср							(8.9)
где	hñð = hîï − 2			f
	3
hср	– средняя высота подвеса троса или при отсутствии тросов –
верхнего		провода, м;
hоп	– высота опоры;
f – стрела провеса.
Годовое число ударов молнии в линию длиной l при числе грозовых
часов в году DГ определяется как:
nãîä = nóä			l		DÃ		(8.10)
	100			100

8.1.4Шаровая молния

Шаровая молния появляется, как правило, одновременно с обычной (линейной) молнией недалеко от места удара последней и выглядит как огненный шар. Диаметр шара составляет в основном 10-20 см. Цвет может быть разный: красный, оранжевый, желтый и белый. Шаровые молнии обычно перемещаются горизонтально со скоростью несколько метров в секунду – как бы катятся вблизи поверхности земли, подпрыгивая на неровностях.

Время жизни шаровых молний составляет обычно несколько секунд, но может быть и больше минуты. Исчезновение шаровых молний в большинстве случаев происходит быстро и сопровождается сильным треском. В месте взрыва шаровой молнии наблюдаются разрушения: обрывы проводов, отверстия, оплавления поверхностей и т.п.

7

Удовлетворительного объяснения шаровой молнии и причин ее возникновения пока еще не найдено. Однако нужно иметь в виду, что шаровая молния – достаточно редкое явление. Это, собственно, и является причиной того, что до настоящего времени практически не началось ее изучение.

8.2 Молниеотводы

8.2.1 Принцип действия молниеотводов

Защита от прямых ударов молнии осуществляется с помощью молниеотводов. Молниеотвод представляет собой возвышающееся над защищаемым объектом устройство, через которое ток молнии, минуя защищаемый объект, отводится в землю. Молниеотвод состоит из молниеприемника, непосредственно воспринимающего на себя удар молнии, токоотвода и заземлителя.

Защитное действие молниеотводов впервые получило объяснение в “ Слове о явлениях воздушных, от електрической силы происходящих…” М.В. Ломоносова, который в 1753г. писал “Стрелы на местах, от обращения человеческого по мере удаленных, ставить за небесполезное дело почитаю, дабы ударяющая молния больше на них, нежели на головах человеческих и на храминах, силы свои изнуряла”. Это образное определение роли молниеотводов остается справедливым.

Защитное действие молниеотводов основано на том, что во время лидерной стадии на вершине молниеотвода скапливаются заряды, и наибольшие напряженности электрического поля создаются на пути между развивающимся лидером и вершиной молниеотвода. Возникновение и развитие с молниеотвода встречного лидера еще более усиливает напряженности поля на этом пути, что окончательно предопределяет удар в молниеотвод. Защищаемый объект, более низкий, чем молниеотвод, будучи расположен поблизости от него, оказывается заэкранированным молниеотводом и встречным лидером и поэтому практически не может быть поражен молнией.

Защитное действие молниеотвода характеризуется его зоной защиты. Зона защиты молниеотвода – пространство вблизи молниеотвода, вероятность попадания молнии в которое не превышает определенного, достаточно малого значения.

Молниеотводы по типу молниеприемников подразделяются на:

8