Перенапряжения прямого удара молнии

Из всех объектов системы электроснабжения наиболее подвержены прямым ударам молнии линии электропередачи - в том числе и контактная сеть железной дороги. За грозовой сезон наблюдается несколько десятков прямых ударов молнии на каждые 100 км длины.

Разряд молнии в возвышенный объект сопровождается образованием встречных лидеров, развивающихся с возвышенных мест объекта - в случае линии с опоры, с грозозащитного троса и с фазных проводов.

Место удара молнии определяется наиболее развившимся встречным лидером, поэтому для линии электропередачи различают следующие случаи поражения:

- удар молнии в провод с последующим перекрытием с провода на опору или между проводами;

- удар молнии в вершину опоры с последующим перекрытием с опоры на провод;

- удар молнии в пролет троса с последующим перекрытием с троса на провод или на землю.

Главную опасность для линии представляет прямой удар молнии в фазные провода с последующим перекрытием изоляции от возникающих при этом перенапряжений. По месту перекрытия возникает дуга за счет рабочего напряжения линии с необходимостью отключения короткого замыкания.

Вероятность перехода импульсного перекрытия в дугу зависит от величины рабочего напряжения и материала опор. В случае деревянных опор вероятность перехода в дугу мала; для линий на железобетонных и металлических опорах эта вероятность порядка 0,5 для сетей 3..35 кВ, а для ЛЭП 110..500 кВ близка к единице.

Вероятность попадания молнии в опору или в трос вблизи опоры может быть приближенно оценена по соотношению , где h_о - высота опоры, l_пр - длина пролета.

Для контактной сети с ее малыми расстояниями между опорами это означает, что большая часть прямых ударов будет приходиться на опоры контактной сети. На заземлении опоры (на рельсе) при этом возникает напряжение, определяемое падением напряжения на индуктивности снижения и на активном сопротивлении заземления .

Небольшое напряжение перекрытия контактной сети (порядка 300 кВ для контактной сети переменного тока) приводит к перекрытию изоляции практически при каждом прямом ударе молнии. Около половины перекрытий переходят в дуговой разряд с отключением фидера контактной сети.

Для линий более высокого напряжения не каждый прямой удар молнии в опору или в грозозащитный трос приводит к перекрытию изоляции.

Под уровнем грозоупорности линии понимают наибольший расчетный ток молнии, при котором еще не перекрывается изоляция линии. На возможность перекрытия изоляции влияет и крутизна тока в канале молнии.

В качестве показателя надежности грозозащиты используют среднее число отключений линии в год или обратную величину - среднее число лет безаварийной работы.

13.2. Индуктированные перенапряжения

При ударах молнии вблизи воздушной линии на фазных проводах возникают индуктированные напряжения, которые имеют электрическую и магнитную составляющие, .

Отрицательный заряд канала лидера молнии вызывает появление на проводе положительного заряда (рис. 13.1). При сравнительно медленном продвижении лидера потенциал провода остается равным нулю, поскольку электрическое поле заряда провода уравновешивает электрическое поле заряда лидера.

В стадии главного разряда, когда канал лидера очень быстро нейтрализуется, заряды на проводе освобождаются и создают волны напряжения, распространяющиеся в обе стороны линии. Это и есть электрическая составляющая индуктированного напряжения, которая прямо пропорциональна средней высоте подвеса провода h_ср и обратно пропорциональна кратчайшему расстоянию до точки удара молнии b, .

Рис. 13.1. Схема появления индуктированного перенапряжения

Изменение магнитного поля главного разряда наводит в контуре опора - провод - ближняя опора - земля ЭДС, вызывающую магнитную составляющую индуктированного напряжения. Максимальное значение напряжения так же зависит от высоты провода и расстояния, как и для электрической составляющей, , так что индутированное напряжение равно , где .

13.3. Грозопоражаемость контактной сети

Чтобы оценить среднее число перекрытий изоляции контактной сети за год, необходимо учесть прямые удары молнии и индуктированные перенапряжения. Оценка количества прямых ударов молнии в контактную сеть, каждый из которых приведет к перекрытию< изоляции, может быть сделана по формулам раздела 12.3. Средняя высота опоры около 10 м такова, что можно не учитывать количество путей участка, поскольку при этом к 6h_ср=60 м нужно прибавить еще 5-7 м, что при оценочных расчетах особого смысла не имеет.

Для индуктированных перенапряжений необходимо выбрать все удары молнии, которые могут происходить на расстоянии более 3h_ср, выделив из них те удары, которые приведут к перенапряжениям, превышающим напряжение перекрытия изоляции контактной сети.

Число прямых ударов молнии в контактную сеть длиной 100 км за 100 грозочасов равно , а при 30 грозочасах

Это в среднем, а на открытых участках дороги с высокими насыпями ожидаемое число ударов молнии будет больше.

Количество индуктированных перенапряжений значительно больше, однако только наиболее близкие удары с большими токами приведут к напряжениям, превышающим напряжение перекрытия изоляции. Рассмотрим полоску земли длиной 100 км, шириной db (м) на расстоянии b (м) от оси дороги. Общее число ударов молнии в год в эту полоску равно, в соответствии с данными раздела 12.3,

,

где сомножитель нужен для перевода размерности db в километры. Величина индуктированного напряжения превысит напряжение перекрытия изоляции, если будет соблюдено условие . Доля молний, в которых значение тока будет больше , определяется выражением , так что число ударов молнии в полоску земли с токами более заданного будет равно

, , или

, где выражено в киловольтах.

, , то >N=3. Количество перекрытий из-за индуктированных напряжений получается существенно меньше числа перекрытий из-за прямых ударов молнии, а общее число грозовых перекрытий изоляции равно 15 на 100 км контактной сети в грозовой сезон (в основном это летние месяцы). Примерно половина этих перекрытий приводит к появлению дуги короткого замыкания и отключению контактной сети.

РЕЗЮМЕ

Прямые удары молний приводят к перекрытию изоляции линий напряжением 3..35 кВ, в том числе и контактной сети железной дороги. Около половины всех перекрытий контактной сети переменного тока сопровождаются возникновением электрической дуги и отключением фидера.

Величина индуктированного перенапряжения примерно пропорциональна амплитуде тока молнии.

Прямые удары молнии в контактную сеть переменного тока вместе с индуктированными перенапряжениями при 30 грозовых часах в году приводят в среднем к 15 перекрытиям изоляции 100 км контактной сети переменного тока.

Контрольные вопросы

1. Какие показатели используются для количественной оценки грозоупорности?

2. Как можно оценить величину возникающего перенапряжения при прямом ударе молнии в объект?

3. Как можно оценить величину индуктированного перенапряжения?

4. Как оценивается среднее количество перекрытий изоляции грозовыми перенапряжениями?