Защита линии электропередачи от молнии
Общие сведения. Распределительные устройства могут быть достаточно надежно защищены от прямых ударов молнии с помощью молниеотводов. Линии электропередачи с той же степенью надежности защитить невозможно. Волны перенапряжений, возникающие на линиях при ударах молнии, доходят до подстанций и могут представлять опасность для установленного там электрооборудования. Такой же опасности могут подвергаться отдельные места на линии, имеющие ослабленную изоляцию, или особенно ответственные участки (транспозиционные опоры, пролеты пересечения, переходы через транспортные магистрали, населенные пункты, большие реки). В этих случаях наряду с защитой от прямых ударов применяется защита от набегающих волн. Для предупреждения перекрытия или пробоя рассматриваемой изоляционной конструкции параллельно ей следует присоединить искровой промежуток (ИП), вольт-секундная характеристика которого с учетом разброса должна в идеальном случае лежать ниже вольт-секундной характеристики защищаемой изоляции. При соблюдении этого требования набегание импульса вызывает во всех случаях пробой ИП с последующим резким падением («срезом») напряжения на ИП и на изоляции. Вслед за импульсным током через искровой промежуток по ионизированному пути устремляется ток, обусловленный напряжением промышленной частоты, — сопровождающий ток. Если установка работает с заземленной нейтралью или пробой ИП произошел в двух или трех фазах, то дуга сопровождающего тока может не погаснуть и импульсный пробой перейдет в устойчивое короткое замыкание, приводящее к отключению установки. Для того чтобы этого избежать, следует обеспечить гашение дуги сопровождающего тока через ИП.
Устройства, обеспечивающие не только защиту изоляции от перенапряжений, но и гашение дуги сопровождающего тока в течение короткого времени, меньшего, чем время действия релейной защиты, называются защитными разрядниками в отличие от обычных искровых промежутков, которые получили название защитных промежутков (ПЗ). Существуют два типа разрядников, которые отличаются принципиально различными способами гашения дуги, - трубчатые и вентильные разрядники. В трубчатых разрядниках дуга гаснет за счет интенсивного продольного дутья; в вентильных разрядниках - благодаря уменьшению сопровождающего тока с помощью сопротивления, которое включается последовательно с искровым промежутком. Далее будет показано, что вентильные разрядники, уступая в простоте устройства и дешевизне, трубчатым разрядникам, обеспечивают наиболее надежную защиту изоляции и поэтому применяются в качестве основного аппарата для защиты подстанций от набегающих волн.
Грозозащита линий электропередачи. Грозовые перенапряжения на линиях электропередачи возникают как при непосредственных поражениях линии грозовыми разрядами (перенапряжения прямого удара молнии), так и при разрядах молнии в землю в окрестности линии (индуктированные перенапряжения). Перенапряжения прямого удара молнии представляют наибольшую опасность, и грозозащита линий должна ориентироваться именно на этот вид перенапряжений.
Ранее было показано, что удар молнии в объект может произойти в тех случаях, когда головка лидерного канала на высоте ориентировки находится в пределах некоторого расстояния от объекта (для стержневого молниеотвода оно равно 3,5h). Для линии электропередачи соответствующее расстояние принимается равным 3h. Таким образом, линия длиной L, км, со средней высотой подвеса h, м, принимает на себя удары с площади, км2, S = 2*3hL10-3.
Так как число ударов на 1 км2 на 1 грозовой час равно 0,067, то число поражений линии в год N при п грозовых часах в году равно:
N= 0,067n6hL10 –3= 0,4nhL 10 –3. (5.4)
Линия электропередачи может поражаться ударами молнии с различными максимальными значениями тока Iм и скоростями его нарастания (крутизной) а. Перекрытие изоляции линии произойдет только в том случае, если созданное ударом молнии напряжение на ее изоляции превысит импульсную прочность этой изоляции. Так как это происходит не при каждом ударе молнии, число перекрытий изоляции линии в год равно:
Nпер=NРпер, (5.5)
где Рпер - вероятность перекрытия изоляции при ударе молнии.
Число грозовых отключений линии, вообще говоря, может быть меньше числа перекрытий изоляции. Отключение линии происходит только при переходе импульсного перекрытия изоляции в поддерживаемую рабочим напряжением силовую дугу, время существования которой равно или больше времени действия релейной защиты. Вероятность перехода импульсного перекрытия в силовую дугу зависит от ряда факторов (мощность источника, наличие ветра и т. д.). Однако определяющее значение имеет градиент рабочего напряжения вдоль пути перекрытия (т. е. напряжение на единицу длины дуги). Если этот градиент окажется недостаточным, силовая дуга может вообще не возникнуть и отключения линии не произойдет.