Рис. 14.1. Карта среднегодовой продолжительности гроз в часах на территории СССР («Временные указания по проектированию и устройству молннезащиты зданий и сооружений»)
З а к. 557
Для количественной оценки эффективности грозозащиты сущест вуют следующие критерии:
1. У р о в е н ь г р о з о у п о р н о с т и . Под «уровнем грозоупорности» будем понимать тот наибольший расчетный (в хорошо заземленный объект) ток / ы с фиксированной формой кривой (например, косоуголь ный фронт тф= 2 мксек и бесконечный хвост) прямого удара молнии, при котором еще не перекрывается изоляция линии. По уровню грозо упорности можно оценить влияние изменения отдельного параметра схемы (например сопротивления заземления опоры) на грозоупорность
линии. |
дает |
зависимость |
между |
двумя |
2. К р и в а я о п а с н ы х воли |
параметрами молнии с выбранной |
формой |
кривой |
(например, |
/м и |
/ ы для косоугольного фронта), при которых еще |
не |
перекрывается |
линейная изоляция. Это дает возможность оценить влияние двух па раметров схемы (например, сопротивления заземления и индуктивно сти опоры) на грозоупорность линии.
3. П о к а з а т е л ь г р о з о у п о р н о с т и (надежности) дает прибли женную оценку числа лет /7„ад безаварийной работы (т. е. обратную величину математического ожидания числа отключений в год /7пад—
=1 / Л ' ) . Его обычно относят к 100 км линии и 100 грозовым часам (или
дням). Это дает возможность сравнивать техническую эффективность различных грозозащитных мероприятий и схем.
4. Э к о н о м и ч е с к а я г р о з о у п о р н о с т ь соответствует той системе грозозащитных мероприятий, при которой получается минимум приведенных затрат по формуле (В.1) с учетом капитальных вложений, эксплуатационных расходов п математического ожидания ущерба народного хозяйства вследствие грозовых повреждений на линии и перерывов электроснабжения потребителей. Этот критерий является наиболее совершенным. Однако для его практического применения еще недостаточно исходных данных в отношении ущерба народного хозяйства. Поэтому далее при рассмотрении схем грозозащиты линий приходится ограничиваться лишь ориентировочной оценкой первых трех критериев. Влияние же экономики учитывается тем, что для наи более ответственных линий высших классов напряжения применя ются наиболее надежные схемы грозозащиты.
б. Лшиш электропередачи с грозозащитными тросами
При анализе грозоупорностп таких линий необходимо учитывать три расчетных случая (см. рис. 14.3): 1) прорыв молнии на провод (Яр) с последующим перекрытием изоляции на опоре; 2) удар молнии в вершину опоры (О) с последующим перекрытием между опорой и про водом; 3) удар молнии в середину пролета троса (Т) с последующим пе рекрытием между тросом и проводом.
, Прорыв молнии на провод приводит к возникновению в месте удара напряжения [в соответствии с формулой (10.39)]
^imax = “ о.ѵ^о.ѵ = № J*«) (/„Z H/2) = 2 э/ „ , |
(1 4 . 1 4 ) |
где гэ = zM2„ /(2zM4-znp) = 70-^-120 ом—эквивалентное сопротивление
в месте удара; zM= 300 ом— волновое сопротивление |
молнии; |
znp = 250-4400 ом— волновое сопротивление фазы с учетом |
короны |
и расщепления (см. § 11.2). |
|
При этом молния эквнвалентнруется волной напряжения |
U0X = I„zJ2, |
(14.15) |
распространяющейся по линии с волновым сопротивлением гм. Здесь / м= 2 [/ол./гм— расчетный ток молнии при ее ударе в хорошо заземлен ный объект.
От места удара молнии вдоль линии в обе стороны распространя ются волны и возникает опасность перекрытия гирлянды. Пренебрегая в первом приближении влиянием рабочего и индуктированного от молнии напряжений, можно оценить уровень грозоупорности при про рыве молнии на провод по формуле
Лі(пр) ^ ^0.5/2э, |
(14.16) |
где Uо,5— 50%-ное разрядное напряжение гирлянды изоляторов. Уровень грозоупорности при прорыве молнии на провод составляет 54-20 ка, и соответственно вероятность последующего перекрытия гирлянды, которую можно оценить по (14.2), равна 804-50%. Поэтому важно обеспечить минимальную вероятность прорыва молнии на про вода мимо тросов Япр по формуле (14.12). Желательно иметь малый угол а , особенно на линиях с высокими и двухцепными опорами, что достигается подвеской двух тросов. При уменьшении а необходимо учитывать усложнение конструкции опоры и повышение вероятности схлестывания или перекрытия между проводом (особенно расщеплен ным) и тросом в середине пролета во время их пляски при гололеде и ветре. Желательно, чтобы в гололедных районах горизонтальное
смещение между тросом и проводом было не менее
Sгор |
^пл (/пр + / тр)> |
где fnp, /тр— стрелы провеса |
провода и троса при гололеде и ветре; |
£пл = 0,14-0,3— коэффициент, |
зависящий от вероятности пляски, |
требований надежности и рабочего напряжения линии. Соответствующее удельное число грозовых отключений при про
рывах молнии на |
провод |
|
|
|
л^пер (пр) = |
•Уп. у. к Р П у Р ц Р I (пр)> |
(14.17) |
где Pf (п , —вероятность по (14.2) тока молнии, |
равного пли боль |
шего / м'(пр) по (14.16). |
опоры является предельным случаем |
Удар молнии |
в вершину |
удара в трос с точки зрения перенапряжений на пораженной опоре. При ударе в трос или в опору напряжение на гирлянде изоляторов
не |
должно |
превышать |
|
|
|
|
|
|
ДНгнрл= Н 0- £ / пр< £ / имп, |
(14.18) |
где |
— импульсная прочность |
изоляции на |
опоре; U0 — |
= UR-f- UL-(- UM— напряжение |
на |
опоре, |
обусловленное падением |
напряжения |
в сопротивлении |
заземления |
опоры |
{UR — i0Ri), в |
индуктивности [UL = L0(dijdt)] и напряжением взаимоиндукции с ка
налом |
молнии |
[Ѵм = Мок (d ijd t)]; |
t/np = U„m. т— U„m. м— ІУраб — |
напряжение |
на |
проводе, . индуктированное |
волной |
на |
тросе |
(у «м.т = ^ . А ) . |
зарядом лидера молнии |
(Um .„ = Ecphcvk3кр) и обус |
ловленное |
мгновенным |
|
значением |
рабочего |
напряжения |
(£/ б); |
Ас — средняя высота проводов |
линии. |
|
|
|
|
|
|
|
Коэффициент связи провод—трос /г„.т для линий рис. 14.3 |
можно приближенно с |
учетом |
влияния |
короны |
вычислить |
по сле |
дующим формулам: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
для |
одного троса |
|
а „ . |
т |
= х л 2; |
|
|
|
|
|
(14.19) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
для |
двух тросов [подставив (14.19) в (10.32)] |
|
|
|
|
|
|
Ап. т = |
(^iAu + |
^iAnMl + |
^](/г12), |
|
|
(14.20) |
где /гjo, /г31, |
к32—коэффициенты |
|
связи |
без |
учета |
|
короны |
по |
(10.31); |
'КК= У Са/С0— поправка, |
учитывающая |
влияние |
короны |
по |
(3.32). |
При импульсном напряжении на тросе Um3X^ |
1,5U„ можно при |
нять в |
приближенных |
расчетах |
« |
1,34 = const. |
|
|
В настоящее время |
еще не разработана методика строгого расчета |
перенапряжений. Наибольшие трудности представляет расчет коэф фициента взаимоиндукции между развивающимся каналом главного разряда молнии и опорой М0-„, средней напряженности поля около линии от молнии Еср, коэффициента экранирования проводов тросами &экр, коэффициента ответвления тока в опору х = /„//„ и волнового сопротивления молнии гм.
Все эти величины, являясь сложными функциями времени, имеют несколько условный физический смысл, зависят от процессов развития
встречного лидера, главного разряда молнии и нейтрализации |
объ |
емного заряда лидера, а также от места удара молнии. |
|
Расчет Д і/гн имеет своей конечной целью приближенно оценить |
уровень грозоупорности, кривую опасных |
волн и показатель |
гро |
зоупорности. Поэтому будем рассматривать |
простейший и в то же |
время наиболее неблагоприятный случай удара молнии непосредст венно в вершину опоры: примем косоугольный фронт тф и незату хающий хвост волны тока. Наибольшее напряжение на изоляции получается в момент времени / ~ т ф. При тф^ 1 мксек можно при
нять средние значения указанных величин: гм«300 ом\ М0-мда М0.н/г0; Мо.ы&0,2мкгн/м; £ ср^ 10 кв/ж, х « ^ экп//?,-; RaKB = Я,- II zM||zT/2 —экви
валентное |
сопротивление в |
месте удара; |
Нраб = Нф,„— максимальное |
значение |
рабочего |
напряжения неблагоприятной |
полярности |
на |
одной из |
трех фаз |
линии; |
A,3Kp« l — /гп. т; |
/[ « |
Подставив |
эти |
значения в (14.18), получим после преобразований следующее соот
ношение, |
определяющее спрямленную |
кривую опасных волн при |
ударе в |
вершину опоры: |
|
|
|
|
|
|
^н/^М. о 4" hl/hl. о |
1, |
(14.21) |
где IM.0 = D/A, |
/ м.0= |
D/B —отре'зки на |
осях / м и /„ |
спрямленной |
кривой опасных |
волн |
(рис. 14.4); |
A = R3(1—Ап. т); |
|
В = (K9LOA0 + Ml. uh0)(l |
ka. T); D = |
Uimn (тф)—£ срАпр (1 —ka. т) — £/ф|В. |
12* |
|
|
|
|
|
355 |
Вероятность перекрытия изоляции можно оценить путем вычи сления двумерного интеграла вида
|
|
|
|
F (IM, /;,) = ^ > ( / м, |
l'u)dIMd l’„, |
|
|
|
(14.22) |
где |
/(/„ , |
/„) — плотность |
вероятности |
.молнии |
с |
параметрами |
/ м, |
/„; С—область интегрирования, |
определяемая |
из |
неравенства |
(14.21) при |
/ м > |
0 |
и |
/;, > |
0. |
|
|
|
с |
некоторым |
запасом |
за |
Результат, |
вообще |
говоря, получается |
счет спрямления |
кривой опасных волн |
(см. рис. |
14.4). |
Если |
пре |
|
|
|
|
|
|
|
|
небречь |
корреляцией |
|
между |
рас |
|
|
|
|
|
|
|
|
пределениями |
/ м |
II / м, то |
практи |
|
|
|
|
|
|
|
|
ческое вычисление интеграла (14.22) |
|
|
|
|
|
|
|
|
при |
спрямленных |
границах |
по |
|
|
|
|
|
|
|
|
(14.21) |
с |
учетом |
(14.4) дает |
сле |
|
|
|
|
|
|
|
|
дующую формулу: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
F |
( I /«) = |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
я/. |
|
|
У~ ЬІм.ое |
а'" ° |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
аД- о |
Ым 0 |
(14.23) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
где а—0,04(ка)~1,Ь=0,08мксек/ка — |
|
|
|
|
|
|
|
|
параметры |
функции |
|
распределе |
Рис. |
14.4. Расчетная 1 (по |
уточненной |
ния амплитуды и крутизны фрон |
методике) и |
спрямленная |
2 кривые |
та тока |
молнии |
по |
(14.4); |
/ ч. 0, |
опасных волн |
для линии с защитными |
/ м. о —отрезки |
на |
осях |
для спрям |
|
|
тросами |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ленной кривой опасных воли по |
|
|
|
|
|
|
|
|
(14.21). |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
В приближенных расчетах можно также принять жесткую связь |
между амплитудой |
и |
крутизной |
/„//',== тф = 2 |
мксек = const. |
При |
этом из (14.21) получаем уровень |
грозоупорности |
при |
ударе |
в |
опору |
|
|
|
|
U. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
/1м (о) ' |
^ср^!пр(1 |
^n. т) |
|
|
|
|
|
|
(14.24) |
|
|
|
|
|
*2Ѵ'о |
М0. J lO |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Rэ |
(1— Ап. т) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ТФ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
где |
U. — напряжение |
перекрытия |
гирлянды |
при тф = 2 мксек. |
|
|
|
Значения |
U0,5 |
н U. берутся по данным импульсных испытаний |
изоляций. Для некоторых распространенных типов изоляции линий Uо,5 и U. можно принимать по табл. 14.2.
При удалении места удара от вершины опоры М£.м и к уменьшаются сначала медленно, а затем, при приближении к середине пролета, су щественно. За счет этого кривая опасных волн смещается вверх и вправо и вероятность перекрытия уменьшается. Это обстоятельство можно приближенно учесть, если принять, что в опоры попадает лишь часть всех прямых ударов молнии в линию. При этом вероятное число
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Т а б л и ц а |
14.2 |
|
|
|
|
|
|
|
Импульсное напряжение |
|
|
|
Номиналъ- |
|
|
|
|
|
|
перекрытия, |
кв |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
пути |
пере |
ное напря |
Изоляция |
|
|
на проводе |
|
|
|
жение |
|
|
|
на проводе крытия |
"нон- кв |
|
|
|
|
|
полна (*ь) |
полна |
(—) |
W |
см |
|
|
|
|
|
|
и _ |
|
|
и_ |
|
|
|
|
|
|
|
"о ,5 |
"о,5 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
750 |
32хЛС-30А |
(фазовая) |
. . . . |
2500 |
3500 |
— |
|
— |
|
694 |
500 |
20ХП-8.5 |
(ф азо в ая )................ |
|
|
1950 |
2750 |
2150 |
2800 |
|
406 |
330 |
19хПМ-4,5 (фазовая)................ |
|
|
1280 |
1800 |
1400 |
1800 |
|
266 |
|
18хПМ-4,5 (фазовая)................ |
|
|
1200 |
1700 |
1300 |
1700 |
|
252 |
|
17хП-4,5 |
(ф азо в ая )................ |
|
|
1400 |
1950 |
1500 |
2000 |
|
289 |
220 |
14хПМ-4,5 (фазовая)................ |
|
|
1100 |
1700 |
1100 |
1700 |
|
196 |
|
14хП-4,5 |
(фазовая) ................ |
|
|
1300 |
1800 |
1300 |
1800 |
|
238 |
ПО |
7хП-4,5 (ф азовая).................... |
|
|
660 |
920 |
660 |
920 |
|
119 |
|
8хПМ'-4,5 |
(ф азовая)................ |
(фазо- |
640 |
960 |
640 |
960 |
|
112 |
|
6хП -4,5-|-2 |
м |
дерева |
|
|
700 |
1520 |
|
302 |
|
в а я ) ................................................... |
|
|
|
|
|
— |
— |
|
|
2х6хП -4,5 + 4,к дерева (между- |
|
|
1900 |
|
|
604 |
|
фазовая) ........................................... |
|
|
|
|
|
— |
|
— |
|
35 |
ЗхП-4,5 (фазовая).................... |
|
|
280 |
400 |
280 |
400 |
|
51 |
|
4хПМ-4,5 |
(ф азовая)................ |
(фазо- |
320 |
480 |
320 |
480 |
|
56 |
|
2хП -4,5+ 1,5 м |
дерева |
400 |
890 |
390 |
710 |
|
184 |
|
в а я ) ................................................... |
|
|
|
(между- |
|
|
4хП -4,5-|-3 м дерева |
|
|
1100 |
|
|
368 |
|
фазовая) ....................................... |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
грозовых отключений всей линии при ударах в опору |
|
|
|
|
|
|
|
|
^ п е р |
(о) = "о |
у . ыРцоіРлРо, |
|
|
|
( 1 4 . 2 5 ) |
где РИо)— вероятность |
тока |
молнии |
.равного |
или |
большего |
|
чем |
/ м(оЬ |
вычисленная |
по |
(14,2); |
Яп« 0 , 5 — расчетная |
вероятность |
удара |
в опору или трос около |
опоры. |
|
является |
расчетным |
слу |
Удар молнии в середину пролета троса |
чаем для выбора расстояния между тросом и проводом по условию от сутствия перекрытия в середине пролета. Это перекрытие может воз никать вследствие весьма высокого напряжения на тросе до прихода отраженных волн от заземлений ближайших опор. Опыт эксплуата ции показывает, что вероятность такого перекрытия пренебрежимо мала, если расстояние трос — провод по вертикали составляет не менее 2% от длины пролета, т. е., например, 8 м для пролета 400 м.
