Искровой разряд. Закон Пашена

При ионизация, вызываемая последовательными лавинами, носит нарастающий характер, ток возрастает, что приводит к образованию искрового разряда, или искрового пробоя, при котором возникает тонкий проводящий канал, замыкающий промежуток. Напряжение, при котором для однородного поля выполняется условие (2.3), носит название пробивного напряжения. Так как и a/р, и g зависят от напряженности поля Е/р, а напряженность определяется приложенным напряжением U и длиной разрядного промежутка d, то для однородного поля можно вывести уравнение зависимости пробивного напряжения от произведения рd вида Uпр = f(pd), которое носит название закона Пашена.

(2.4)

где A и B - постоянные, характеризующие газ.

Эксперименты для разных газов дают хорошее совпадение с такой зависимостью.

В полном соответствии с этой формулой и экспериментальными данными получено простое уравнение для расчета пробивного напряжения в воздухе при давлении, близком атмосферному

(2.5)

где р - давление газа, атм; d - расстояние между электродами, см; U - в кВ.

Зависимость для воздуха, соответствующая (2.4) и (2.5) приведена на рис. 1.

Рис. 1. Зависимость пробивного напряжения в воздухе в однородном поле от произведения pd (закон Пашена). При большой мощности источника напряжения, по каналу искры начинает протекать большой ток, что приводит к разогреву канала и возникновению в нем термической ионизации. Сопротивление канала резко падает, ток еще более возрастает, и возникает дуговой разряд, при котором ток может превышать сотни ампер.

2. Какие методы применяются при профилактических испы­таниях изоляции силовых высоковольтных трансформаторов и что с их помощью можно обнаружить?

1. Замеры изоляционных характеристик.

Перед началом испытаний необходимо провести внешний осмотр трансформатора, проверить исправность бака и радиаторов, состояние изоляторов, уровень масла, целостность маслоуказательного стекла, заземление трансформатора.

Замеры изоляционных характеристик допускается измерять не ранее чем через 12 ч. после окончания заливки трансформатора маслом. Характеристики изоляции измеряются при температуре изоляции не ниже 10 °С у трансформаторов напряжением до 150 кВ, мощностью до 80 МВА.

1.1. Сопротивление изоляции.

Характеристики изоляции измеряются по схемам и в последовательности, указанным ниже:

1. НН –ВН + Бак

2. ВН –НН + Бак

3. ВН + НН –Бак

При измерении все выводы обмоток одного напряжения соединяют вместе, остальные обмотки и бак трансформатора должны быть заземлены.

В начале измеряют R60 и R15, а затем остальные характеристики трансформатора. Сопротивление изоляции трансформатора измеряют по приведенным ниже схемам мегаомметром на 2500 В с верхним пределом измерения не ниже 10000 МОм.

Перед началом измерения все обмотки должны быть заземлены не менее чем на 5 минут, а между отдельными измерениями не менее чем на 2 минуты.

Для трансформаторов на напряжение до 35 кВ включительно, мощностью до 10 МВА сопротивление изоляции обмоток должно быть не ниже следующих значений:

Температура обмотки, °С 10 20 30 40 50 60 70

R60//, МОм 450 300 200 130 90 60 40

Сопротивление изоляции сухих трансформаторов при температуре обмоток 20-30 °С должно быть для трансформаторов с номинальным напряжением:

До 1 кВ включительно – не менее 100 МОм;

Более 1 кВ до 6 кВ включительно – не менее 300 МОм;

Более 6 кВ – не менее 500 МОм.

Измерения производятся по схеме, представленной на рис. 1, при соблюдении всех требований техники безопасности, причем рабочая зона должна быть ограждена и вывешены плакаты «СТОЙ, НАПРЯЖЕНИЕ».

Измерение сопротивления изоляции доступных стяжных шпилек, бандажей и прессующих колей относительно активной стали и ярмовых балок, а также ярмовых балок относительно обмоток и магнитопровода.

Производится в случае осмотра активной части трансформатора. Используются мегаомметры на напряжение 1000-2500 В.

Измеренные значения должны быть не менее 0,5 МОм.

1.2. Измерение тангенса угла диэлектрических потерь (см. методику).

Тангенс угла диэлектрических потерь (tg d) в изоляции и емкости обмоток производят при помощи мостов переменного тока (Р-5026) по перевернутой схеме при напряжении 10 кВ. Испытательное напряжение не должно превышать 60 % номинального напряжения испытуемой обмотки (см. методику замера tg d). Схемы и условия измерения диэлектрических потерь в изоляции силового трансформатора те же, что и при измерении сопротивления изоляции. При сравнении измеренных значений с заводскими учитываются температуры, при которых производились измерения. Зависимость поправочного коэффициента от разности температур приведена ниже. Приведенное к заводской температуре значение tg d, измеренное при монтаже, не должно превышать заводских данных более чем на 30 %. Значения tg d изоляции, равные или меньше 1 % (после приведения к заводской температуре), с паспортными данными не сравниваются и считаются удовлетворительными.

2. Испытание обмоток трансформатора.

Повышенным напряжением переменного тока от постороннего источника производится вместе с вводами (рис. 2). Испытательное напряжение зависит от класса изоляции обмотки:

Номинальное напряжение

обмотки, кВ до 3 3 6 10 15 20 24 27 35

Испытательное напряжение,

кВ, обмоток трансформатора

с изоляцией: нормальной 4,5 16 23 32 41 50 59 63 77

облегченной, в том числе

сухие трансформаторы 2,7 9 15 22 28 - - - -

Время испытания составляет 1 мин. При отсутствии испытательной установки необходимой мощности испытание обмоток трансформаторов, автотрансформаторов, масляных и дугогасящих реакторов с нормальной изоляцией не проводится. В эксплуатации для обмоток 35 кВ и ниже испытание напряжением переменного тока может быть заменено испытанием выпрямленным напряжением с измерением тока утечки. Выпрямленное испытательное напряжение принимается равным амплитудному значению испытательного напряжения промышленной частоты.

3. Измерение сопротивления обмоток постоянному току.

Измерение производится на всех ответвлениях обмоток, если в паспорте трансформатора нет других указаний.

Измеряются, как правило, линейные сопротивления, при наличии нулевого вывода измеряют также одно из фазных сопротивлений.

Сопротивления обмоток трехфазных трансформаторов, измеренные на одинаковых ответвлениях разных фаз при одинаковой температуре, не должны отличаться более чем на 2%. Кроме того, должна соблюдаться одинаковая для всех фаз и соответствующая положениям переключателя закономерность изменения сопротивления постоянному току в различных положениях переключателя. Если из-за конструктивных особенностей трансформатора это расхождение может быть большим, и об этом указано в заводской технической документации, следует руководствоваться нормой на допустимое расхождение, приведенное в паспорте трансформатора.

Перед измерением сопротивления обмоток трансформаторов, снабженных устройствами регулирования напряжения, следует произвести не менее трех полных циклов переключения.

4. Коэффициент трансформации.

Коэффициент трансформации силовых трансформаторов определяют для проверки соответствия паспортным данным и правильности подсоединения ответвлений обмоток к переключателям.

Определение коэффициента производится методом «двух вольтметров». По этому методу к одной из обмоток трансформатора подводится напряжение, и двумя вольтметрами одновременно измеряется подводимое напряжение и напряжение на другой обмотке трансформатора. Подводимое напряжение не должно превышать номинальное и в тоже время должно составлять не менее 1% номинального напряжения.

Испытания трехфазных трансформаторов допустимо производить при трехфазном и однофазном возбуждении. При этом измеряют линейные напряжения на одноименных зажимах обеих обмоток.

Коэффициент трансформации находят для всех ответвлений обмоток и всех фаз, и не должен отличаться более чем на 2 % от значений, указанных в паспорте трансформатора для каждого положения переключателя.

При испытаниях трехобмоточных трансформаторов достаточно определить коэффициент трансформации для двух пар обмоток.

Работа производится при строгом соблюдении всех требований правил техники безопасности, при этом подача напряжения производится на обмотку высокого напряжения, после подключения измерительных приборов.

5. Измерение потерь холостого хода.

Опыт холостого хода проводят для измерения тока и потерь холостого хода.

Измерение производится у трансформаторов мощностью 1000 кВА и более, при напряжении, подводимом к обмотке низшего напряжения, равном указанному в протоколе заводских испытаний (паспорте). У трехфазных трансформаторов потери холостого хода измеряются при однофазном возбуждении по схемам, применяемым на заводе-изготовителе.

В трехфазных трансформаторах токи холостого хода различных фаз за счет различной длины пути потока каждой фазы несколько различаются. Ток средней фазы обычно на 20-35 % меньше тока крайних фаз.

У трехфазных трансформаторов соотношение потерь в разных фазах не должно отличаться от соотношений, приведенных в протоколе заводских испытаний (паспорте), более чем на 5 %.

У однофазных трансформаторов отличие измеренных значений не должно превышать 10 %.

Ток холостого хода трехфазного трансформатора Iх определяется как среднеарифметическое токов трех фаз и выражается в процентах номинального тока Iном.

Iх = (I изм. / Iном.) х 100

6. Проверка группы соединений обмоток трехфазных трансформаторов и полярности выводов однофазных трансформаторов.

Проверка проводится при отсутствии паспортных данных методом двух вольтметров, либо методом импульсов постоянного тока, если отсутствуют паспортные данные или есть сомнения в достоверности имеющихся данных.

Группа соединений должна соответствовать указанным в паспорте трансформатора, а полярность выводов –обозначениям на крышке трансформатора.

7. Проверка работы переключающего устройства.

Снятие круговой диаграммы производится на всех положениях переключателя. Диаграмма не должна отличаться от диаграммы завода-изготовителя. Проверку срабатывания устройства следует производить согласно заводским инструкциям.

8. Проверка системы охлаждения.

Режим работы охлаждающих устройств должен соответствовать заводской инструкции.

9. Фазировка трансформатора.

Должно иметь место совпадение по фазам.

10. Испытания трансформаторного масла.

Испытания трансформаторного масла перед вводом в эксплуатацию трансформаторов производится в соответствии с табл. 25.2 п. 1-7 «Объемов и норм». По решению руководителя предприятия испытания масла по пп. 1, 6,7 табл. 25.2 могут не производится.

У трансформаторов всех напряжений масло из бака РПН испытывается в соответствии с инструкцией завода-изготовителя. У трансформаторов напряжения 35 кВ включительно масло испытывается на пробой в течение первого месяца эксплуатации 3 раза. Масло из трансформаторов мощностью до 630 кВА включительно, установленных в эл. сетях, допускается не испытывать.

Испытания трансформаторного масла проводятся Заказчиком в специализированной лаборатории, имеющей право на испытание масла.

11. Испытания вводов.

Испытания вводов проводятся в соответствии с методикой испытания вводов.

12. Испытание встроенных трансформаторов тока.

Испытание встроенных трансформаторов тока проводятся в соответствии с методикой испытания измерительных трансформаторов.

13. Испытание включением толчком на номинальное напряжение.

В процессе 3-5 кратного включения трансформатора на номинальное напряжение не должны иметь место явления, указывающие на неудовлетворительное состояние трансформатора.

Результаты заносятся в протокол.

3. В чем причина возникновения волнового переходного про­цесса в обмотке трансформатора при воздействии на нее им­пульса перенапряжений? Какие меры могут быть применены для ослабления переходных процессов в трансформаторах, а следо­вательно, и для снижения перенапряжений?

При прямых ударах молнии в линии электропередачи (ЛЭП) или при разрядах в землю вблизи ЛЭП на проводах линии возникают импульсные волны перенапряжений, которые распространяются от точки возникновения в обе стороны и, испытывая искажение и затухание, доходят до подстанции(рис.1).

Рис. 1. Возникновение волн перенапряжений на линиях электропередачи

По правилам устройств электроустановок любая подстанция защищается от набегающих с ЛЭП волн перенапряжений вентильным разрядником (РВ) или нелинейным ограничителем перенапряжений (ОПН). Защитные характеристики РВ или ОПН выбираются соответствующим образом, чтобы после их срабатывания импульсная волна перенапряжений имела безопасный уровень для изоляции высоковольтного электрооборудования подстанции (силовые трансформаторы, выключатели, разъединители, трансформаторы напряжения и тока и др.). Таким образом, при надежной работе защитных устройств (РВ или ОПН) на обмотку трансформатора воздействует импульсная волна перенапряжений казалось бы безопасной амплитуды. Однако, под воздействием импульса напряжения в обмотках трансформатора возникает переходный электромагнитный процесс, приводящий к опасным перенапряжениям между катушками (витками) обмотки, а также между обмотками и заземленными частями трансформатора.

Суммарная длина проводов в обмотках трансформаторов высокого напряжения

достигает нескольких километров, поэтому при включении толчком к источнику напряжения в обмотке возникают волновые процессы, имеющие некоторую аналогию с волновыми процессами в линиях электропередачи. Однако схема замещения обмотки трансформатора, даже если опустить в ней активные сопротивления и проводимости, значительно сложнее схемы замещения линии.

На рис.2 представлена схема замещения для однофазной катушечной обмотки. Благодаря тому, что провод обмотки навивается вокруг магнитопровода,

U0

Zн

НН

ВН

DК

DС

а)

cердечник

нейтраль

Zн

б)

M1dx

M3dx

dx

Cdx

K/dx

U0

Ldx

M2dx

Cdx

Cdx

K/dx

K/dx

Рис. 2. Схема замещения однофазной катушечной обмотки трансформатора (б); взаимное расположение обмоток и магнитопровода (а)

появляются два дополнительных параметра схемы замещения - емкость между соседними витками или катушками К (продольная емкость) и взаимная индуктивность М(х) каждого витка со всеми остальными витками обмотки. Обычно под величинами L,C и K понимают средние значения индуктивности, емкости относительно земли и продольной емкости на единицу длины обмотки и представляют трансформатор в виде схемы с распределенными параметрами.

Это является определенным приближением, так как в действительности схема замещения трансформатора должна была бы представлять цепочку с ограниченным числом элементов, равных числу витков обмотки. Наибольшие трудности, которые встречаются при анализе переходных процессов в обмотках трансформаторов, связаны с правильным учетом взаимоиндукции. При этом требуется решение системы интегро-дифференциальных уравнений. Так как такой анализ весьма сложен, ограничимся качественным рассмотрением переходных процессов в трансформаторах.

В условиях эксплуатации обмотки низкого напряжения, как правило, приключены к отходящим кабельным или воздушным линиям (рис.3,а). Замещая отходящие линии их волновыми сопротивлениями и учитывая, что в

большинстве случаев волновое сопротивление обмоток трансформатора (тысячи, десятки тысяч Ом) во много раз больше волнового сопротивления линий электропередачи (300-400 Ом), придем к схеме рис.3,в, т.е. будем считать обмотку низкого напряжения закороченной и заземленной.

Протекание электромагнитного переходного процесса в трансформаторах зависит от ряда факторов:

1.Схемы соединения обмоток;

2.Режима нейтрали;

3.Конструкции обмоток;

4.Падения волны по одной, двум или трем фазам присоединенной к трансформатору ЛЭП.

Рассмотрим основные закономерности переходных процессов в трансформаторах на простейшей однофазной схеме катушечной обмотки для случая падения на нее прямоугольной бесконечно длинной волны напряжения.

Без учета взаимоиндукции схема замещения участка обмотки бесконечно малой длины dx представлена на рис.4.

Рис. 4. Токи и напряжения в элементах обмотки

Длину обмотки будем отсчитывать в осевом направлении от начала обмотки к ее концу и обозначим: U-напряжение на элементе обмотки относительно земли в точке 1; L-индуктивность на единицу длины; K-емкость между витками на единицу длины; C-емкость обмотки на единицу длины относительно земли.

Изменение значений токов I и I k на участке dx обусловлено утечкой тока на землю через емкость элемента обмотки Cdx:

dI=Cdx (1)

U2=U+( )dx, (2) dI=Cdx (U+( )dx)=Cdx( )+C( )dx2, (3)

Вторым слагаемым в последнем выражении можно пренебречь в связи его малости (имеем в качестве сомножителя квадрат бесконечно малой величины dx).

Тогда: dI Cdx ( ). (4)

С другой стороны изменение I, I k на участке dx равно разности значений токов в начале и в конце участка dx:

dI=(I+I k)-(I+( )dx+I k+( )dx)= -( )dx-( )dx= - (I+I k)dx. (5)

Приравнивая (4) и (5) и сокращая на dx,получим:

C (6)

Знак минус в (6) свидетельствует об уменьшении продольного тока с ростом х. Определим ток I k протекающий через продольную емкость K/dx элемента обмотки. Обозначим напряжение, приложенное к емкости K/dx, как U12=U1-U2. Очевидно, что это напряжение равно:

U12=U1-U2=U-(U+( dx, (7)

тогда искомый ток I k определится:

I k=(K/dx)( )=(K/dx) (8)

Падение напряжения на индуктивности Ldx элемента обмотки запишется:

UL=(Ldx) (9)

С другой стороны это же напряжение UL равно:

UL=U1-U2=U-(U+ (10)

Из (9) и (10) имеем:

(11)

Преобразуем уравнения (6),(8),(11) следующим образом:

(12)

Из (8) определим

(13)

Тогда уравнение (12) запишется:

, (14)

Продифференцируем (14) по времени:

(15)

Из уравнения (11) найдем первое слагаемое уравнения (15):

(16)

Тогда (15) запишется:

(17)

или:

(18)

Дифференциальное уравнение (18) позволяет определить напряжение внутри

обмотки. Решение его можно представить в форме:

u= U×ejwt×e jgx (19)

Это уравнение показывает, что процессы в обмотке могут рассматриваться с помощью как стоячих, так и бегущих волн. Если перейти от комплексного реше-

ния (19) к вещественному

u=U×coswt×singx; (20)

то такое решение будет характеризовать стоячую волну, где g - пространственная частота; w - временная частота.

Подставим решение (19) в исходное дифференциальное уравнение(18), последовательно определяя соответствующие производные:

(U×ejwt×ejgx)=U×ejwt×j×g×ejgx;

(U×ejwt×j×g×ejgx)= U×ejwt×j2×g2×ejgx (21)

(U×ejwt×ejgx)= U×ejgx×j×w×ejwt

(U×ejgx×j×w×ejwt)= U×ejgx×j2w2 ejwt; (22)

(U×ejwt×j2×g2×ejgx)=U×j×w ejwt×j2×g2×ejgx;

(U×j×w ejwt×j2×g2×ejgx)=U×j2×w2×ejwt×j2×g2×ejgx; (23)

Подставляя (21), (22), (23) в (18) и производя сокращение на множители (U×j2×ejwt×ejgx), получим связь между g и w:

g2-LCw2-LKw2g2=0; (24)

Отсюда: g2=w2(LC+LKg2);

w2=g2/(LC+LKg2);

или: (25)

Каждому возможному значению пространственной частоты g в уравнении(25) соответствует определенное значение временной частоты w. С возрастанием g временная частота w приближается к критическому значению:

wкр=w=1/ (26)

Эта граничная частота является наибольшей временной частотой колебаний в обмотке и соответствует собственной частоте витка обмотки с индуктивностью L и емкостью K.

Значение g получим из (24):

(27)

Каждому значению w соответствуют два значения g.

Таким образом, решение уравнения(18) может быть представлено в виде суммы свободных гармонических составляющих:

u= n ; (28)

где An,Bn - постоянные интегрирования, а соотношение между g и w устанавливаются уравнением (24).

Решение (19) можно представить в виде:

u=Uej(wt+gx) ; (29)

Прологарифмируем (29):

lnu=lnU+j(wt+gx);

или lnu-lnU=jwt+jgx; (30)

Выражения (29), (30) справедливы для любого момента времени и в любой точке x обмотки. Справедливы они и для момента времени, когда u=U и lnu=lnU. Тогда левая часть уравнения (30) будет равна нулю:

0=jwt+jgx, или 0=wt+gx;

Отсюда gx= -wt; x/t= -w/g. Но x/t определяет скорость бегущей волны, следовательно:

v=x/t= -w/g; (31)

С учетом (25) получим:

(32)

Это означает, что скорость бегущей волны в обмотке является функцией пространственной длины волны: чем короче пространственная длина, тем меньше ее скорость. Граничная скорость пространственной волны равна нулю.

Рассмотрим теперь переходный процесс. Переходные процессы в

обмотке возникают потому, что начальное и конечное состояние физического процесса различны. Для упрощения анализа весь переходный процесс разбивается на три стадии:

1.Начальный процесс (t=0);

2.Установившейся режим (t= );

3.Переходный процесс (0 t ).

4. Каковы особенности защиты вращающихся машин от на­бегающих волн грозового происхождения по сравнению с защи­той силовых трансформаторов? Каковы значения тока координации и допустимой крутизны набегающей волны при защите вращающихся машин?

Защита от прямых ударов молнии
Здания и сооружения, имеющие металлические конструкции или металлическую кровлю, защищаются от прямых ударов молнии путем надежного заземления (импульсное сопротивление заземления не более 10 Ом). Все остальные здания и сооружения, а также территории открытого РУ защищаются стержневыми молниеотводами. На открытых РУ 110 кВ и выше молниеотводы могут устанавливаться непосредственно на конструкциях РУ, стойки которых присоединяются к заземляющему контуру подстанции. РУ 35 кВ, как правило, защищаются отдельно стоящими молниеотводами, имеющими обособленные заземлители.

Защита подстанций от волн грозовых перенапряжений, набегающих с линии
Основным аппаратом защиты оборудования подстанций является вентильный разрядник типа РВС или РВМ. Остаточное напряжение на разряднике является основной величиной, по которой производится координация подстанционной изоляции. Амплитуда расчетной волны грозового перенапряжения, равная гарантированной импульсной прочности изоляции, определяется приближенным равенством

где коэффициент 1,1 учитывает падение напряжения в индуктивности соединительных проводов между разрядником и защищаемым оборудованием. Испытательное напряжение оборудования подстанций (за исключением изоляции силовых трансформаторов) на 10- 15% выше . Импульсное испытательное напряжение изоляции силовых трансформаторов на 25% выше .
Максимальное напряжение на изоляции оборудования подстанции тем больше чем больше крутизна падающей волны и расстояние между РВ и защищаемой изоляцией. Для уменьшения крутизны волны линии электропередачи на подходе к подстанциям 35 кВ и выше защищаются тросовыми молниеотводами на длине 1-2 км. Если линия защищена тросами по всей длине, то на подходе к подстанции применяются уменьшенные сопротивления заземления опор. В линиях на деревянных опорах без тросов в начале подхода устанавливается трубчатый разрядник РТ1 (рис. 40-34).

Рис. 40-34. Нормальная схема защиты РУ 35-110 кВ. РТ2 предназначен для защиты изоляции разомкнутого выключателя или разъединителя; РТ2 может быть заменен защитным промежутком ПЗ.

Рис 40-35. Нормальная схема защиты РУ 3-10 кВ. а - воздушный подход; б - воздушный подход с кабельной вставкой. Трубчатый разрядник РТ1 устанавливается на расстоянии 100-200 м от РТ2. Разрядники РТ2 и РВ2 защищают изоляцию разомкнутого выключателя или разъединителя. При длине кабельной вставки менее 50 м РВ2 не ставится. Импульсное сопротивление заземления РТ1 не более 10 Ом.

Подходы к подстанциям 3-10 кВ молниеотводами не защищаются (рис. 40-35). При наличии кабельных вводов используются защитные действия кабельной оболочки (рис. 40-35, б).
При отсутствии трубчатых разрядников, удовлетворительных с точки зрения диапазона отключаемых токов, возможна установка вместо них защитных промежутков (табл. 40-13) при обязательном наличии АПВ.

1. Таблица 40-13 Рекомендуемые расстояния между электродами защитного промежутка

Номинальное напряжение сети, кВ
Величина промежутка, мм

Примечания:
1. Для 110 кВ в качестве защитных промежутков обычно используется защитная арматура на натяжной гирлянде.
2. Для 35 кВ защитным промежуткам в сетях с изолированной нейтралью или резонансным заземлением нейтрали целесообразно придавать форму рогов.

Для каждой подстанции существует "опасная зона" длиной , т. е. длина прилегающего к подстанции участка линии, за пределами которого удары молнии в линию практически безопасны для оборудования подстанций, так как после пробега пути по линии крутизна волны под действием короны снижается до безопасной величины , где определяется по разделу при , a - минимальное импульсное разрядное напряжение изоляции линии относительно земли на подходе к подстанции.
Число возможных повреждений изоляции оборудования подстанции в год, для линий, у которых трос на подходе к подстанции подвешен на длине , определяется по формуле

а для линий, у которых трос подвешен на длине , - по формуле

Величина M=1/N называется показателем грозоупорности подстанции и представляет собой число лет безаварийной работы.
Для того чтобы грозоупорность подстанций была удовлетворительной, расстояние между разрядником и трансформатором не должно превышать ориентировочных величин, указанных на рис. 40-36. Расстояние между разрядником и другим оборудованием может быть на 25-35% больше.
На гидростанциях часто трансформаторы устанавливаются на плотинах, а открытое РУ находится на расстоянии нескольких сотен метров. При соединении трансформатора с РУ воздушной линией она должна надежно защищаться от прямых ударов молнии стержневыми или тросовыми молниеотводами, а вентильные разрядники должны устанавливаться как на шинах подстанции, так и в непосредственной близости от трансформатора. При соединении трансформатора с РУ кабельной линией, разрядник у трансформатора может не устанавливаться, но, помимо разрядника, на шинах подстанции должен быть установлен разрядник в начале кабеля.
Если на подстанциях 150 кВ и выше возможно разземление нейтралей некоторых трансформаторов, то в нейтралях должны устанавливаться вентильные разрядники с номинальным напряжением на класс ниже, чем номинальное напряжение трансформатора.

Рис. 40-36. Ориентировочные значения допустимых расстоянии между трансформатором и разрядником для тупиковых (а) и проходных (б) подстанций в зависимости от крутизны а набегающей на подстанцию волны, кВ/м (1 кВ/м = 300 кВ/мксек). Нижние кривые - подстанции 35 кВ; средние - подстанции 110 кВ; верхние - подстанции 220 кВ.

Защита вращающихся машин от волн грозовых перенапряжений, набегающих с линии
Вращающиеся машины мощностью более 15 000 кВА запрещается включать непосредственно на воздушные линии (без разделяющего трансформатора). Вращающиеся машины, работающие на воздушные линии через трансформаторы, как правило, специальной защиты не требуют.
Основным средством защиты вращающихся машин, работающих непосредственно на воздушные линии, являются магнитно-вентильные разрядники типа РВМ. Вентильные разрядники устанавливаются возможно ближе к машине либо непосредственно на выводах машины (если число машин не превышает двух), либо каждой системе шин. Если к станции подходит только одна воздушная линия, то разрядники можно устанавливать на вводе линии. Разрядники можно не устанавливать, если от станции отходит восемь или более кабельных линий длиной не менее 2 км каждая.
Для ограничения крутизны напряжения на шинах станции и защиты витковой изоляции устанавливается защитная емкость (обычно в одной ячейке с разрядником). Для одновитковых машин установка емкости не требуется. При изолированной нейтрали генератора в нейтрали устанавливается магнитно-вентильный разрядник типа РВМ параллельно с емкостью порядка 0,25-0,5 мкФ.
Схемы защиты вращающихся машин (рис. 40-37) должны обеспечивать напряжения на главной и продольной изоляции машины, не превышающие допустимого при защитном уровне не менее 50 кА. Это требование обеспечивается, если импульсные сопротивления трубчатых разрядников, установленных на подходе к станции, не превышают указанных на схемах рис. 40-37 величин и на шинах установлена емкость 0,5-0,25 мкФ на фазу. Наилучшие показатели грозоупорности имеет схема с кабельной вставкой и фидерным реактором.

Рис. 40-37. Основные схемы грозозащиты вращающихся машин. а - схема с фидерным реактором и кабельной вставкой обеспечивает показатель грозоупорности М порядка 100 лет; б - схема с кабельной вставкой и защитой подхода тросами имеет М от 15 лет при длине кабеля 100 м до 100 лет при длине кабеля 300 м; в - схема с воздушным подходом, защищенным стержневыми молниеотводами, имеет М около 10 лет.

5. Почему возникают перенапряжения при отключении ненагруженных силовых трансформаторов? От чего зависит их величина и как их ограничить?

Молния – это электрический разряд, который может возникнуть внутри облака между разноименно заряженными его частями; между разноименно заряженными облаками; между облаком и землей. В средних широтах 60÷70 % из общего числа молний приходятся на разряды внутри облаков или между облаками и 30÷40 % разрядов поражают землю. Большинство ударов молнии (до 90 %) развиваются из отрицательно заряженных областей облака и переносят на землю отрицательный заряд.

По данным наблюдений с космических аппаратов [1] одновременно на земном шаре существуют до 3000 грозовых очагов, ежесекундно происходит около 100 ударов молнии. Над сушей гроз примерно в 10 раз больше, чем над океанами.

Неравномерность распределения зарядов в облаках приводит к возникновению сильного электрического поля как внутри облака между зонами различной полярности, так и между облаком и землей. Условия возникновения молнии создаются, когда в каком-либо месте облака напряженность электрического поля превысит 0,3÷0,4 МВ/м.

Согласно современным представлениям [1, 2, 3, 4] развитие молнии имеет лидерный характер. Образование и развитие лидера молнии представляет собой сложный физический процесс, поэтому для инженерных расчетов может быть применена упрощенная модель разряда молнии между облаком и землей, состоящая в следующем [2, 5]. Лидер отрицательного разряда представляется каналом, заполненным отрицательными зарядами Разряд молнии развивается в виде лидера, направленного в основном по силовым линиям электрического поля. Лидер прорастает не равномерно, а скачками, ступенями, следующими друг за другом с интервалами 30÷50 мкс. За время каждой ступени канал удлиняется на 5÷100 м. Лидерный процесс развивается со средней скоростью (0,1÷2)·105 м/с. Во время скачка направление прорастания лидера определяется картиной электрического поля вблизи его головки, в частности скоплениями объемных зарядов, создаваемых заряженными частицами в пространстве между облаком и землей, поэтому лидер молнии обычно прорастает по искривленному пути, имеющему многочисленные изломы и разветвления. Канал лидера окружен обширной зоной ионизации, имеющей заряд того же знака, что и облако. По мере приближения лидера к земле напряженность между ним и землей растет. На земле и на наземных объектах накапливаются заряды противоположной полярности, индуктированные зарядом лидера, напряженность электрического поля на вершинах возвышающихся над поверхностью земли объектов (опоры и тросы ЛЭП, молниеотводы, дымовые трубы и т.п.) возрастает, и на них возникают положительные стримеры, из которых в дальнейшем развивается встречный лидер. При приближении лидера к земле, когда средняя напряженность в промежутке между головкой лидера молнии и наземным объектом или его встречным лидером достигнет значения 500 кВ/м, происходит ориентация лидера молнии на данный объект или его встречный лидер. При расстоянии 25÷100 м между лидером молнии и объектом или встречным лидером возникает высокая напряженность электрического поля со средним значением порядка 1000 кВ/м. Промежуток между лидерами или лидером и объектом пробивается, и в нем выделяется энергия, равная 0,5÷5 МДж, которая расходуется на нагрев и термоионизацию.

Возникает главный разряд. Проводимость канала разряда в месте пробоя резко возрастает. Область высокой напряженности поля, возникшая в месте пробоя, перемещается по направлению к облаку со скоростью от 1,5×107 до 1,5·108 м/с. При этом происходит нейтрализация зарядов лидера и окружающей его зоны ионизации. Ток в канале (ток молнии) за 5÷10 мкс достигает многих десятков килоампер (до 250 кА), а затем, за время 25÷200 мкс, спадает до половины максимального значения. Канал разряда, разогретый за очень короткое время до температуры (20÷30)·103 К, быстро расширяется, что вызывает распространение в окружающем воздухе ударной волны, имеющей на своем фронте высокое давление и воспринимаемой как гром.

В завершающей стадии разряда по каналу в течение десятков миллисекунд проходит ток порядка десятков и сотен ампер. В это время нейтрализуются заряды нижней части облака. Если в облаке имеется несколько областей концентрации зарядов, находящихся на разной высоте, то после нейтрализации заряда нижней части облака становится возможным нейтрализация зарядов вышерасположенных областей. Лидер повторного разряда развивается по ионизированному пути, проложенному первым разрядом, поэтому скорость его выше и имеет порядок 106 м/с. Развивается он непрерывно, без ступеней. В большинстве случаев молния состоит из двух – трех отдельных разрядов, но их может быть и больше.

При большой высоте наземного объекта (более 100 м) вероятно возникновение и развитие восходящей молнии с объекта на облако, если напряженность электрического поля у объекта достигнет критических значений раньше, чем у облака. Отмечается [2], что такие молнии не имеют резко выраженной главной стадии разряда, т. к. их лидеры вступают в контакт с малопроводящей средой облака, состоящей из заряженных частиц, отделенных друг от друга воздухом. Развитие лидеров повторных разрядов происходит практически так же, как и при нисходящих молниях.

Характерные формы импульсов тока первой и второй составляющей разряда молнии показаны на рис. 1.2.

Импульс тока молнии при повторных разрядах отличается более коротким фронтом и длительностью и меньшей амплитудой. По форме он ближе к стандартному грозовому импульсу с параметрами 1,2/50 мкс.

I, кА   к кА

t, мкс

Молнии положительной полярности, как правило, однократные. Импульс тока этих молний имеет более пологий фронт, чем у отрицательных молний. Учитывая, что 90 % всех разрядов молнии на землю имеют отрицательную полярность, все расчеты выполняются применительно к отрицательным молниям. Грозоупорность воздушных линий обычно рассчитывается только для первого импульса разряда молнии, т.к. при воздействии последующих импульсов вероятность перекрытия изоляции более чем на порядок меньше, чем при воздействии первого. Грозозащита подстанций должна рассчитываться с учетом всех импульсов разряда молнии.

Рис. 1.2. Характерные формы импульса тока первой (кривая 1) и второй (кривая 2) составляющей молнии

Установлено [5], что основные параметры импульса тока молнии при ударе ее в воздушную линию (ВЛ) подчиняются логарифмически нормальному закону статистического распределения. На рис. 1.3 приведена среднестатистическая форма первого импульса тока молнии. Он характеризуется следующими параметрами:

– амплитуда тока молнии Iм;

– крутизна тока молнии на участке (0,1¸0,9)I – a0,1;

– крутизна тока молнии на участке (0,3¸0,9)I – a0,3;

– длительность импульса тока молнии (время спада тока до 0,5I) – tи;

– длительность фронта импульса на участке (0,1¸0,9)I – t0,1;

– длительность фронта импульса на участке (0,3 ¸ 0,9)I – t0,3 .

τ0,1

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

I

t

τ0,3

0,9

0,3

0,1

Для расчета грозоупорности ВЛ следует использовать [5], в зависимости от высоты опор h, следующие параметры логарифмически нормального закона распределения:

– при hоп £ 20 м математическое ожидание

= 20 кА, коэффициент изменчивости slgI =0,39 ;

– при hоп > 20 м

= 20 + 0,32(hоп – 20) кА,

Рис. 1.3. Среднестатистическая форма первого импульса тока молнии

коэффициент изменчивости slgI = 0,39 – 0,0028(hоп – 20).

Вероятность тока молнии Р(Ii), превышающей Ii, рассчитывается с использованием вышеприведенных параметров по формуле

.

Применение реальной формы импульса тока молнии существенно усложняет расчеты молниезащиты, поэтому часто реальная форма импульса заменяется более простой, расчетной. В частности, рассчитывая грозоупорность ВЛ 110 кВ м и выше при ударе молнии в опору, реальный импульс может быть заменен импульсом косоугольной формы. Это обосновывается тем, что перекрытие изоляции с опоры на провод происходит на фронте импульса при значениях тока молнии 20 кА и выше. Для преобладающего большинства импульсов тока молнии это происходит на участке фронта выше 0,5Iм, следовательно, начальный участок импульса можно не учитывать. Таким образом, расчетный импульс должен быть близок к реальному на участке выше 0,5Iм. Этому условию будет удовлетворять косоугольный импульс с фронтом, проходящим через точки реального импульса (рис. 1.3), соответствующие значениям 0,9Iм и 0,3Iм. Часто эту форму импульса применяют и в других расчетах молниезащиты. Параметры логарифмически нормального распределения крутизны данного расчетного импульса будут следующими:

– для первого импульса = 10,8 кА/мкс; slga = 0,265;

– для последующих импульсов = 30,2 кА/мкс; slga = 0,4;

В оценочных расчетах (без учета различия первого и последующих импульсов тока молнии) вероятность тока молнии, равного или превышающего величину Ii, кА, можно найти по формуле P(Ii) = exp(– 0,04Ii), а вероятность крутизны тока молнии, равной или превышающей значение ai, кА/мкс, – по формуле P(ai) = exp(– 0,08ai).

Для всех импульсов многократного разряда молнии принимается одинаковое расчетное значение скорости распространения главного разряда v = 0,3 скорости света.

Волновое сопротивление канала молнии на стадии главного разряда zм уменьшается при возрастании амплитуды тока молнии. Измерения и теоретические расчеты показывают, что волновое сопротивление канала молнии, в зависимости от амплитуды тока молнии, изменяется в пределах от 300 до 10000 Ом :

Iм, кА, 5 10 20 50 100

zм, Ом, 4000 2000 1000 650 500.

Волновое сопротивление канала молнии влияет на амплитуду тока через пораженный объект, которая может быть рассчитана по формуле

,

где Iо – амплитуда тока молнии, протекающего через хорошо зазем-

ленный объект (R= 0);

zэкв – эквивалентное сопротивление пораженного объекта. Напри-

мер, при ударе молнии в провод zэкв = zпр/2.

В большинстве расчетных случаев zм принимается равным бесконечности, при этом Iм = Iо, что соответствует представлению о канале молнии как источнике заданного тока. Расчет показателей грозоупорности ВЛ при этом дает небольшой запас при расчете числа грозовых отключений от прорывов молнии на провода. Значение zм следует учитывать при расчете уровня грозоупорности при ударе молнии в провода ВЛ напряжением 500 кВ и выше, для которых прорывы молнии являются основной причиной грозовых отключений.