Применение высоких напряжений для передачи электрической энергии

Лопухова Татьяна Викторовна

Доцент кафедры ЭС КГЭУ

 

Лекции по дисциплине

«Изоляция и перенапряжения»

 

ЛЕКЦИЯ 1ИЗОЛЯЦИЯ И ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЯ ИЛИ ТЕХНИКА ВЫСОКИХ НАПРЯЖЕНИЙ

Применение высоких напряжений для передачи электрической энергии

Применение высоких напряжений для передачи электрической энергии на большие расстояния играет важную роль в развитии мировой электроэнергетики и нашей страны. Существенное влияние на развитие энергосистем оказывают все возрастающие требования ограничения неблагоприятных воздействий энергетических объектов на окружающую среду. Повышение экологических требований к электростанциям, прежде всего необходимость сокращения занимаемых под них земельных площадей, усложняет их размещение и, как следствие, приводит к удалению электростанций от центров потребления. Это, в свою очередь, влечет за собой увеличение необходимых объемов строительства линий высокого напряжения.

Надежная работа электрических систем высокого напряжения в основном определяется изоляцией и теми напряжениями, которые на эту изоляцию воздействуют. Повышения напряжения, которые могут быть опасными для изоляции, называются перенапряжениями. Использование высоких напряжений в электрических системах связано с проблемой обеспечения безаварийной работы изоляции всех элементов электрической системы. Рассматриваемая проблема получила название “Техника высоких напряжений в электроэнергетике”

Техника высоких напряжений (ТВН) в настоящее время представляет собой науку о характеристиках вещества и процессах в нем при экстремальных электромагнитных воздействиях - высоких напряжениях и сильных токах, а также о технологическом использовании этих процессов. Один из основных разделов ТВН посвящен свойствам и характеристикам изоляционных конструкций электрооборудования высокого напряжения и условиям их надежной эксплуатации при воздействии рабочего напряжения, грозовых и внутренних перенапряжений.

 

Влияние режима нейтрали на уровни перенапряжений

 

Основные режимы нейтрали:

1. Изолированная: 6,10,15,20,35 кВ;

2. Заземленная: 110 кВ и выше.

В зависимости от номинального напряжения нейтраль может быть изолирована или заземлена. При номинальном напряжении 6кВ, 10кВ, 15кВ, 20кВ, 35кВ нейтраль трансформатора делается изолированной, а при напряжении 110кВ и выше – заземленная или эффективно заземленная нейтраль.

Изолированная нейтраль

Для того чтобы напряжение нейтрали было равно нулю необходимо соблюсти условие, которое заключается в том, что углы между векторами напряжений должны быть равны 120 ^º. Но это условие не всегда соблюдается.

В зависимости от рельефа местности будет изменяться и емкость относительно земли. Соответственно, при увеличении протяженности ЛЭП емкость возрастает, и наоборот.

 

 

 

 

Наличие паразитных связей на ЛЭП приводит к изменению диаграммы напряжений, т.е. углы между векторами изменяются, вследствие чего напряжение нейтрали становится неравным нулю.

Величина емкостного тока напрямую зависит от протяженности ЛЭП и может варьироваться от 2 до 30А.

Достоинства: можно сэкономить на автоматике, в случае замыкания на землю можно надеяться на самопогасание дуги, чего нельзя допустить в случае высоковольтных ЛЭП.

Замыкания на линии возникают из-за попадания в них молнии, вследствие чего может возникнуть перекрытие изоляторов.

U _пр=100 I _молнии

При попадании молнии в ЛЭП образуется канал разряда молнии, проводимость которого становится соизмеримым с проводимостью провода.

 

В этот момент через этот канал начинает протекать ток замыкания . Но затем происходит быстрое охлаждение канала т.к. процесс протекания тока молнии длится лишь несколько десятков микросекунд. Быстрое охлаждение канала ведет к его деионизации - проводимость канала уменьшается. Ток, протекающий через канал, изменяется по синусоидальному закону. В тот момент, когда ток проходит через нулевое значение, ионизационный процесс прекращается и канал самовосстанавливается. Таким образом происходит самопогасание дуги.

Вероятность самопогасания дуги напрямую зависит от величины емкости линии. Если емкость имеет большое значение, то появляется так называемая перемежающая дуга, которая приводит к дуговым перенапряжениям, т.к. она то гаснет, то вновь загорается. Дуга в этом случае служит своего рода контактором. Этот случай является самым тяжелым для оборудования подстанций и электрических станций.

Режим изолированной нейтрали обеспечивает надежное снабжение потребителей, т.к. в этом случае потребитель не чувствует замыканий.

При замыкании на землю одной фазы, напряжение на оставшихся здоровых фазах будет равно .

Режим ДПЗ оказался очень актуальным в 50-е годы 20 века, т.к. длины линий в послевоенные годы были короткими, а их емкостное значение тока не превышало 5А. При попадании молнии в деревянную опору, она расщепляется и в некоторых случаях может обломиться, а провод может упасть на землю. В этом случае возникает режим ДПЗ, который удобен тем, что не происходит прерывания снабжения потребителей.

Но после того как длины линий со временем стали увеличиваться, а соответственно возрастали и емкости линий, ситуация стала меняться. Те режимы, которые были хороши для коротких линий, были непригодны для длинных линий. Невозможно было рассчитывать на самопогасание дуги, однофазное замыкание на землю стало опасным для населения. Необходимо было искать эффективные методы ограничения токов замыкания на землю. Одним таких методов стал дугогасящий реактор, который способствовал уменьшению тока ЗЗ.

 

Воздушных промежутков.

При кратковременных импульсах значение разрядного напряжения воздушных промежутков зависит от продолжительности воздействия. Если к промежутку приложено напряжение, достаточное для пробоя, то для развития и завершения разряда в промежутке необходимо определенное время , называемое временем разряда.

Развитие самостоятельного разряда начинается с появления в промежутке эффективного начального электрона, что является случайным событием. Время ожидания эффективного электрона подвержено разбросу и называется поэтому статистическим временем запаздывания разряда. Другой составляющей является время формирования разряда (также имеющее статистический характер) - время от момента появления начального электрона до завершения пробоя промежутка. При достаточно большой длительности фронта импульса имеет значение также холостое время - время подъема напряжения до значения (начального напряжения возникновения самостоятельного электрического разряда).

В общем случае время разряда определяется как

(10)

Если длительность приложенного к промежутку импульса меньше времени разряда, то пробоя не произойдет, хотя значение напряжения было бы достаточным для этого при длительном воздействии напряжения.

Составляющие времени разряда и зависят от значения напряжения на промежутке. При увеличении напряжения повышается вероятность того, что появляющиеся в промежутке электроны станут эффективными, уменьшается. Сокращается также и , поскольку при большем напряжении возрастает интенсивность разрядных процессов в промежутке. Поэтому, чем выше разрядное напряжение, тем меньше время разряда.

Зависимость максимального напряжения разряда от времени действия импульса называется вольт-секундной характеристикой изоляции. Поскольку начало и скорость развития ионизационных процессов зависят от значения напряжения, вольт-секундные характеристики зависят от формы импульса.

Импульсное 50%-ное разрядное напряжение практически совпадает со средним значением минимального импульсного разрядного напряжения промежутка.

 

 

Для их изготовления.

В установках высокого напряжения и оборудования энергосистем используется несколько видов внутренней изоляции. Наиболее широкое распространение получили бумажно-пропитанная (бумажно-масляная) изоляция, маслобарьерная изоляция, изоляция на основе слюды, пластмассовая и газовая.

Эти разновидности обладают определенными достоинствами и недостатками, имеют свои области применения. Однако их объединяют некоторые общие свойства:

сложный характер зависимости электрической прочности от длительности воздействия напряжения;

в большинстве случаев необратимость разрушения при пробое;

влияние на поведение в эксплуатации механических, тепловых и других внешних воздействий;

в большинстве случаев подверженность старению.

Бумажно-пропитанная изоляция (БПИ). Исходными материалами служат специальные электроизоляционные бумаги и минеральные (нефтяные) масла или синтетические жидкие диэлектрики.

Основу БПИ составляют слои бумаги. Рулонная БПИ (ширина рулона до 3,5 м) применяется в секциях силовых конденсаторов и в вводах (проходных изоляторах); ленточная (ширина ленты от 20 до 400 мм) - в конструкциях с электродами относительно сложной конфигурации или большой длины (вводы высших классов напряжения, силовые кабели). Слои ленточной изоляции могут наматываться на электрод внахлест или с зазором между соседними витками. После намотки бумаги изоляция подвергается вакуумной сушке при температуре 100-120°С до остаточного давления 0,1-100 Па. Затем под вакуумом производится пропитка бумаги тщательно дегазированным маслом.

Дефект бумаги в БПИ ограничен пределами одного слоя и многократно перекрывается другими слоями. Тончайшие зазоры между слоями и большое количество микропор в самой бумаге при вакуумной сушке обеспечивает удаление из изоляции воздуха и влаги, а при пропитке эти зазоры и поры надежно заполняются маслом или другой пропиточной жидкостью.

Конденсаторные и кабельные бумаги имеют однородную структуру и высокую химическую чистоту. Конденсаторные бумаги самые тонкие и чистые. Трансформаторные бумаги используются в вводах, трансформаторах тока и напряжения, а также в элементах продольной изоляции силовых трансформаторов, автотрансформаторов и реакторов.

Для пропитки бумажной изоляции в силовых маслонаполненных кабелях 110-500 кВ используются маловязкие нефтяные или синтетические кабельные масла, а в кабелях до 35 кВ - маслонаполненные смеси повышенной вязкости. В силовых и измерительных трансформаторах и вводах пропитка осуществляется трансформаторным маслом. В силовых конденсаторах применяется конденсаторное масло (нефтяное), хлорированные дифенилы или их заменители, а также касторовое масло (в импульсных конденсаторах).

Нефтяные кабельные и конденсаторные масла более тщательно очищены, чем трансформаторные.

Хлорированные дифенилы, обладая высокой относительной диэлектрической проницаемостью, повышенной стойкостью к воздействию частичных разрядов (ЧР) и негорючестью, токсичны и экологически опасны. Поэтому масштабы их применения резко сокращаются, их заменяют экологически чистыми жидкостями.

Для снижения диэлектрических потерь в силовых конденсаторах используют комбинированную изоляцию, в которой слои бумаги чередуются со слоями полипропиленовой пленки, у которой на порядок меньше чем у непропитанной бумаги. Такая изоляция обладает более высокой электрической прочностью.

Недостатками БПИ являются невысокая допустимая рабочая температура (не более 90°С) и горючесть.

Масло-барьерная (маслонаполненная) изоляция (МБИ). Основу этой изоляции составляет трансформаторное масло. Оно обеспечивает хорошее охлаждение конструкции за счет самопроизвольной или принудительной циркуляции.

В состав МБИ входят и твердые диэлектрические материалы - электрокартон кабельная бумага и др. Они обеспечивают механическую прочность конструкции и используются для повышения электрической прочности МБИ. Из электрокартона выполняют барьеры а слоями кабельной бумаги покрывают электроды. Барьеры повышают электрическую прочность МБИ на 30-50%, разделяя изоляционный промежуток на ряд узких каналов, они

ограничивают количество примесных частиц, которые могут приближаться к электродам и участвовать в инициировании разрядного процесса.

Электрическую прочность МБИ повышает покрытие электродов сложной формы тонким слоем полимерного материала, а в случае электродов простой формы - изолирование их слоями бумажной ленты.

Технология изготовления МБИ включает сборку конструкции, сушку ее под вакуумом при температуре 100-120°С и заполнение (пропитку) под вакуумом дегазированным маслом.

К достоинствам МБИ относятся сравнительная простота конструкции и технологии ее изготовления, интенсивное охлаждение активных частей оборудования (обмоток, магнитопроводов), а также возможность восстановления качества изоляции в эксплуатации путем сушки конструкции и замены масла.

Недостатками МБИ являются меньшая, чем у бумажно-масляной изоляции электрическая прочность, пожаро- и взрывоопасность конструкции, необходимость специальной защиты от увлажнения в процессе эксплуатации.

МБИ используется в качестве главной изоляции в силовых трансформаторах с номинальными напряжениями от 10 до 1150 кВ, в автотрансформаторах и реакторах высших классов напряжения.

Изоляция на основе слюды имеет класс нагревостойкости В (до 130°С). Слюда имеет очень высокую электрическую прочность (при определенной ориентации электрического поля относительно кристаллической структуры), обладает стойкостью к воздействию частичных разрядов и высокой нагревостойкостью. Благодаря этим свойствам, слюда является незаменимым материалом для изоляции статорных обмоток крупных вращающихся машин. Основными исходными материалами служат микалента или стеклослюдинитовая лента.

Микалента представляет собой слой пластинок слюды, скрепленных лаком между собой и с подложкой из специальной бумаги или стеклоленты. Микалента используется в так называемой компаундированной изоляции, процесс изготовления которой включает намотку нескольких слоев микаленты, пропитку их при нагреве под вакуумом битумным компаундом и опрессовку. Эти операции повторяются для каждых пяти-шести слоев до получения изоляции необходимой толщины. Компаундированная изоляция используется в настоящее время в машинах малой и средней мощности.

Более совершенной является изоляция, выполняемая из стеклослюдинитовых лент и термореактивных пропиточных составов.

Слюдинитовая лента состоит из одного слоя слюдинитовой бумаги толщиной 0,04 мм и одного или двух слоев подложки из стеклоленты толщиной 0,04 мм. Такая композиция обладает достаточно высокой механической прочностью (за счет подложек) и отмеченными выше качествами, характерными для слюды.

Из слюдинитовых лент и пропитывающих составов на основе эпоксидных и полиэфирных смол изготовляют термореактивную изоляцию, которая при нагреве не размягчается, сохраняет высокую механическую и электрическую прочность. Разновидности термореактивной изоляции, используемые у нас в стране, называют “слюдотерм”, “монолит”, “монотерм” и т.д. Термореактивная изоляция применяется в статорных обмотках крупных турбо- и гидрогенераторов, двигателей и синхронных компенсаторов с номинальными напряжениями до 36 кВ.

Пластмассовая изоляция в промышленных масштабах используется в силовых кабелях на напряжения до 220 кВ и в импульсных кабелях. Основным диэлектрическим материалом в этих случаях является полиэтилен низкой и высокой плотности. Последний имеет лучшие механические характеристики, однако менее технологичен из-за более высокой температуры размягчения.

Пластмассовая изоляция в кабеле располагается между полупроводящими экранами, выполняемыми из наполненного углеродом полиэтилена. Экран на токоведущей жиле, изоляция из полиэтилена и наружный экран наносятся методом экструзии (выдавливания). В некоторых типах импульсных кабелей применяются прослойки из фторопластовых лент. Для защитных оболочек кабелей в ряде случаев используется поливинилхлорид.

Газовая изоляция. Для выполнения газовой изоляции в высоковольтных конструкциях используется элегаз, или шестифтористая сера . Это бесцветный газ без запаха, который примерно в пять раз тяжелее воздуха. Он имеет наибольшую прочность по сравнению с такими инертными газами, как азот и двуокись углерода.

Чистый газообразный элегаз безвреден, химически неактивен, обладает повышенной теплоотводящей способностью и является очень хорошей дугогасящей средой; он не горит и не поддерживает горение. Электрическая прочность элегаза в нормальных условиях примерно в 2,5 раза выше прочности воздуха.

Высокая электрическая прочность элегаза объясняется тем, что его молекулы легко присоединяют электроны, образуя устойчивые отрицательные ионы. Из-за этого затрудняется процесс размножения электронов в сильном электрическом поле, который составляет основу развития электрического разряда.

При увеличении давления электрическая прочность элегаза возрастает почти пропорционально давлению и может быть выше прочности жидких и некоторых твердых диэлектриков. Наибольшее рабочее давление и, следовательно, наибольший уровень электрической прочности элегаза в изоляционной конструкции ограничивается возможностью сжижения элегаза при низких температурах, например, температура сжижения элегаза при давлении 0,3 МПа составляет -45°С, а при 0,5 МПа равна -30°С. Такие температуры у отключенного оборудования наружной установки вполне возможны зимой во многих районах страны.

Для крепления токоведущих частей в комбинации с элегазом используются опорные изоляционные конструкции из литой эпоксидной изоляции.

Элегаз используется в выключателях, кабелях и герметизированных распределительных устройствах (ГРУ) на напряжения 110 кВ и выше и является весьма перспективным изоляционным материалом.

При температурах выше 3000°С может начаться разложение элегаза с выделением свободных атомов фтора. Образуются газообразные отравляющие вещества. Вероятность их появления существует для некоторых типов выключателей, предназначенных для отключения больших токов к.з. Поскольку выключатели герметически закрыты, появление ядовитых газов не опасно для эксплуатационного персонала и окружающей среды, но при ремонте и вскрытии выключателя необходимо принимать специальные защитные меры.

 

Срок службы изоляции

С увеличением напряжения, приложенного к изоляции любого типа, темпы электрического старения возрастают, а сроки службы соответственно уменьшаются. Зависимость срока службы t от значения воздействующего напряжения U в широком диапазоне значений t может иметь сложный характер. Для области относительно малых средних сроков службы (от единиц часов до 10 -10 ч) экспериментально установлена зависимость следующего вида:

(7.1)

где А - постоянная, значение которой зависит от свойств изоляции;

n - показатель степени, зависящий от конструктивных особенностей изоляции и рода воздействующего напряжения (рис.7.1-1). Например, для бумажно-масляной изоляции с резконеоднородным электрическим полем (конденсаторного типа) при напряжении промышленной частоты n = 4¸8, а при постоянном напряжении n = 9¸12;

для маслобарьерной изоляции со слабонеоднородным электрическим полем n = 50¸80.

lnU Рис. 7.1. Зависимость среднего

срока службы t внутренней

изоляции от воздействующего

напряжения:

2 1 - по

ln U 1 2 - по

lnt

Для области больших сроков службы (более 10 ч) количество экспериментальных данных сравнительно невелико из-за большой стоимости и продолжительности экспериментов. Установлено, что по мере снижения напряжения U сроки службы в области 2 увеличиваются быстрее, чем следует из (7.1.), а ниже некоторого напряжения становятся неограниченно длительными. Такому ходу зависимости соответствует выражение

(7.2)

Срок службы изоляционной конструкции любого типа при заданном напряжении является величиной случайной.

При повышенном напряжении

К испытаниям повышенным напряжением (обычно не более 2,0 ), главной целью которых является проверка длительной электрической прочности изоляции, относятся:

измерения значений tgd изоляции при напряжениях, близких к рабочему, или определение зависимости tgd=f(U) для нормированного диапазона напряжений;

проверка отсутствия в изоляции ЧР нормированной интенсивности при нормированном напряжении;

испытание изоляции на стойкость к тепловому пробою.

Эти испытания в разном объеме входят в программы типовых и заводских приемо-сдаточных испытаний некоторых видов высоковольтного оборудования.

Измерения значений tgd изоляции проводят с помощью мостов переменного тока (мостов Шеринга), собранных по нормальной (рис. 8.6) или перевернутой схеме.

ВН

tgd

 

С С -

И

R C

R 2

U

Рис. 8.6. Схема моста переменного Рис. 8.7. Зависимости tgd от напряжения

тока (нормальная)

 

Абсолютные значения tgd, измеренные при напряжениях, близких к рабочему, характеризуют качество исходных диэлектрических материалов и наличие в изоляции загрязнений, в частности влаги, и тем самым являются показателями качества проведения процесса вакуумной сушки. Более полную информацию о состоянии изоляции дают зависимости tgd=f(U), измеренные при напряжениях от 0,1-0,5 от наибольшего рабочего до 1,0-2,0 наибольшего рабочего (рис.8.7). Для изоляции высокого качества значения tgd слабо зависят от испытательного напряжения или остаются практически постоянными. Сильное увеличение tgd с ростом напряжения означает появление в изоляции интенсивных частичных разрядов.

Для некоторых видов изоляции, например для бумажно-масляной изоляции маслонаполненных кабелей 110-500 кВ, нормируются допустимые значения прироста D tgd в определенном диапазоне напряжений.

Измерения характеристик частичных разрядов. При проведении контрольных испытаний в заводских высоковольтных лабораториях для обнаружения и измерения характеристик ЧР в конструкциях высокого напряжения используют электрический метод и установки (рис.8.8). Эти установки выполняют и градуируют в соответствии с ГОСТ 20074-83.

ИТ С

С

 

Ф У РП

C

Z

 

 

Рис. 8.8. Схема установки для измерения характеристик ЧР в изоляции

 

При появлении в изоляции ЧР с кажущимся зарядом q на емкости испытуемой изоляции С напряжение скачком изменяется на величину . При этом на измерительном элементе , т.е. на входе измерительной части установки, возникает импульс напряжения с амплитудой , пропорциональной q:

(8.8)

где - входная (паразитная) емкость измерительной части установки; - емкость конденсатора связи.

Этот импульс проходит через фильтр Ф верхних частот, отсеивающий напряжение промышленной частоты и его гармоники, усиливается до необходимого уровня усилителем У и подается на регистрирующие приборы РП (осциллограф и счетчик импульсов). Таким образом, определение характеристик частичных разрядов осуществляется путем измерения амплитуд импульсов напряжения от рахрядов и подсчета числа этих импульсов.

Для измерения характеристик ЧР в изоляции силовых трансформаторов и шунтирующих реакторов измерительные элементы и всю измерительную часть установки подключают через соединительные конденсаторы к каждому линейному выводу. В качестве соединительных конденсаторов обычно используют инвентарные вводы (проходные изоляторы) с измерительной обкладкой в бумажном остове. Современные установки в заводских высоковольтных лабораториях позволяют регистрировать ЧР с q ³ Кл.

Измерения интенсивности ЧР проводят обычно до и после испытаний изоляции высоким напряжением промышленной частоты.

Изоляция считает выдержавшей испытания, если наибольшее знчение кажущегося заряда, зарегистрированное во время испытаний, не превышает допустимое для данного вида изоляции значение.

Испытание изоляции на тепловую устойчивость. Этот контроль проводится в рамках типовых испытаний. Для проверяемой конструкции создается тепловой режим, эквивалентный номинальному эксплуатационному. Затем к изоляции прикладывается нормированное для данного опыта испытательное напряжение промышленной частоты, которое выдержитвается до достижения установившегося значения tgd изоляции. Для крупногабаритных конструкций продолжительность таких испытаний может составлять несколько суток.

Физика разряда молнии

Молния - разновидность газового разряда при очень большой длине искры. Общая длина канала молнии достигает нескольких километров, причем значительная часть этого канала находится внутри грозового облака.

Для возникновения грозы необходимы, во-первых сильные восходящие потоки воздуха и, во-вторых, требуемая влажность воздуха в пределах грозовой зоны (эти закономерности были установлены еще М.В.Ломоносовым).

Восходящие потоки воздуха возникают вследствие нагрева прилегающих к поверхности земли слоев воздуха и термически обусловленного теплообмена этих слоев с охлажденным воздухом на большой высоте.

В облаке образуется несколько изолированных друг от друга скоплений зарядов (в нижней части облака скапливаются преимущественно заряды отрицательной полярности), молния бывает обычно многократной, т.е. состоит из нескольких единичных разрядов, развивающихся по одному и тому же пути.

Точный механизм разделения зарядов в грозовом облаке все еще остается во многом неясным. Однако наблюдения показывают, что разделение зарядов совпадает с замерзанием капель воды в облаке.

 

ЛЕКЦИЯ 8. МОЛНИЕЗАЩИТА ВОЗДУШНЫХ ЛИНИЙ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ

 

Удар молнии в трос.

 

 

На ЛЭП 110 кВ с тросом, подвешенным по всей длине линии, число ударов в трос и опору почти не отличается. Для линий 500 кВ характерны следующие соотношения:

N _оп»40% N _уд

N _оп»60% N _уд

Напряжение на тросе в момент удара молнии:

I ^к_м – ток молнии в канале молнии (I ^к_м= I _м).

Вероятность того, что ток будет иметь ту или иную величину: . Зная ток молнии, мы можем рассчитать вероятность этого тока, воздействующего на оборудование.

 

 

 

Рассмотрим два случая:

а – пробой в месте удара;

б – пробой изоляторов.

 

Представим наш рисунок в виде:

 

Напряжение на проводе: U_пр=k_свU_тр

k_св – коэффициент связи.

Напряжение изоляции: U_из=U_оп–k_свU_тр

Изоляции опоры:U_оп=I_мR_иоп Þ

Þ U_из= I_мR_иоп–I_м100k_св=I_м(R_и–100k_св) Þ

Þ – защитный уровень изоляции.

U_из³U_50%

U_50% – импульсная электрическая прочность изоляции воздушного промежутка.

 

Вероятность перекрытия изоляции: P(I_м=I_защ)=10^-Iм/60

Т.к. расстояние маленькое (l_пр/2), то искажение волны не будет и она вернется.

Величина трапециевидной волны определяется не амплитудой, а крутизной.

U_атр=u_мtz_тр/2

U_пр= U_атрk_св

 

U_извозд=U_тр–U_пр=U_атр(1–k_св) – напряжение изоляции воздушного промежутка.

Далее найдя U_{извозд50%} мы можем определить а_м®P(а_м) ®Р_пери.

2. Удар молнии в опору.

 

70% всех ударов приходится в опору.

U_оп=I_мR_м

При ударе молнии в хорошо заземленный объект (опора), величина тока молнии, протекающего на опоре, не изменяется.

Мы имеем хорошо заземленный объект, если R_зп£30Ом – заземление промышленной частоты, поэтому сопротивление опор выполняется не более 30 Ом.

R_и=a_иR_п

a_и – импульсный коэффициент. Для опор a_и³1.

U_пр=dU_оп

d – коэффициент связи. Он зависит от того сколько у нас тросов: если один, то d=0,3; если два, то d=0,15.

U_из=U_оп–U_тр= I_мR_и(1–d)

P(I_м)=Р_пер

Для упрощенного расчета d пренебрегаем и считают: I_м=U_50%/R_и.

Удар мимо троса.

 

 

 

Этот случай очень редкий, т.к. вероятность прорыва через трос очень маленькая и равняется:

 

DS – расстояние между тросами и верхним проводом по горизонтали.

Dh – расстояние между тросами и верхним проводом по вертикали.

D=1.

Вероятность отключения: Р_откл=Р_aР_перh_кз

Р_a=0,036 – для линий 220 кВ на одинарных железобетонных опорах с высотой опоры 24м. При этом a=32⁰.

Вероятность перекрытия: Р_пер=Р(I_м).

Для 220 кВ: I_з=1000/300»3,3кА

Р_пер=10^-3,3/60

Т.о. Р_откл оказывается очень маленькой величиной.

Рассмотрим более современный подход к расчетам.

1. Удар молнии в трос.

Число ударов в трос (прямой удар в трос)

N_пумтрР_тр=N_тр

Схема замещения будет выглядеть следующим образом:

 

1 – при R_зим»0,05z_тр

2 – при R_зим»0,2z_тр

Волновое сопротивление канало-молнии:

Напряжение на тросе:

Выражением можно пренебречь, если R_зим<<z_тр

Е_прср»500 кВ/м

Перекрытие происходит в том случае, если:

– условие перекрытия.

Этот случай рассматривается для линий с тросами напряжением свыше 110 кВ.

При условии – маленькая вероятность перекрытия.

2. Удар в опору.

Число аварийных отключений при ударе в опору:

N_авоп=N^*_пумР_опР_перопh_г(1–Р_апв),

где h_г – вероятность перехода в грозовую дугу.

В этом случае схема замещения примет вид:

 

 

 

L_оп= L^*_опh_оп

Удельная индуктивность опоры:

L^*_оп=0,5 мкГн/м – для 2-х стоечной опоры;

L^*_оп=0,6 мкГн/м – для 1 стоечной опоры;

L^*_оп=0,7 мкГн/м – для деревянной опоры с 2-мя токоотводами.

Коэффициент ответвления тока молнии в опору:

, при R_зим=10-20 Ом Þ À=0,8-0,9

Напряжение на опоре: U_оп=ÀI_м R_зим+Àа_мL_оп+а_мМ_оп-м

 

 

Взаимная индукция между опорой и каналом тока молнии:

М_оп-м=М*_оп-мh_оп М*_оп-м=0,2 мкГн/м

Если R_зим<< , то перекрытие изоляции возможно на фронте волны.

 

 

1 – на заземлении опоры;

2 – напряжение на вершине опоры;

3 – суммарное напряжение волны.

h_г=0,7 для U£220 кВ

=0,1 для U³330 кВ

Коэффициент перехода в дугу для воздушных промежутков:

U_{наибраб} – наибольшее рабочее напряжение.

Вероятностная зависимость между а_м и I_м:

 

Удар мимо троса.

Сначала определим N^*_уд.

Далее определяем N^*_удР_ab

Р_ab=Р_прорР_перh_г(1–b_апв)

 

 

U_кр»1200 кВ.

Схема замещения имеет вид:

U_пр=I_мz_э

Эквивалентное входное сопротивление схемы относительно точки удара молнии:

Перекрытие произойдет если:

U_50%<U_пр}I_м³