Файл: Мельников, Н. А. Проектирование электрической части воздушных линий электропередачи 330-500 кВ.pdf

Рис. 8-2. Определение коэффициента связи между тросом и проводом.

Результаты расчетов показывают, что, например, для линии 330 кВ с опо­ рами портального типа, защищенной вдоль всей длины двумя тросами, элек­ трическая составляющая индуктированного напряжения составляет около 30% суммарной величины напряжения, приложенного к изоляции.

Магнитная составляющая индуктированного напряжения не вызывает пе­ реходного процесса и зависит только от изменения во времени внешнего маг­ нитного поля, вызванного прохождением тока в проводах линии электропере­ дачи или по стойкам опоры.

Магнитная составляющая индуктированного напряжения состоит из двух слагаемых, первая из которых определяется током, проходящим при прямом ударе молнии через опору, а вторая — током в канале молнии. Эти слагаемые имеют одинаковый порядок величин. Магнитная составляющая индуктирован­ ного напряжения может быть представлена в виде суммы

где Lgfi — индуктивность участка опоры, длина которого равна высоте под­

портальными опорами и импульсным сопротивлением заземления 10 Ом со­ ставляет около 30% суммарной величины напряжения, приложенного к изо­ ляции.

Падение напряжения в сопротивлении заземления опоры. В случае прямо­ го удара молнии в заземленную опору линии электропередачи после много­ кратных отражений волны от заземлителей и вершины опоры начинается процесс протекания через опору импульсных токов. Проходящий через опору ток создает падение напряжения в сопротивлении заземления. Это напряже­ ние считается полностью приложенным к изоляции линии электропередачи, так как напряженность электрического поля по мере удаления от места пря­ мого удара резко уменьшается и потенциал на проводе даже в непосредствен­ ной близости от опоры будет близок к нулю. Величина проходящего через опору тока зависит также от волнового сопротивления тросов, через которые часть тока ответвляется в заземлители соседних опор. Падение напряжения в сопротивлении заземления опоры, имеющее, так же как и ток молнии, от­ рицательную полярность, будет равно:

210

Эта величина при импульсном сопротивлении заземления, равном 10 Ом, составляет около 25% всего напряжения, приложенного к изоляции.

Напряжение на проводе, индуктируемое током, протекающим в тросах. Не­ обходимо учитывать, что в результате прямого удара молнии, кроме процес­ сов, описанных выше, по тросам, имеющим непосредственную электрическою связь с опорой, начнет проходить электрический ток, величина которого за­ висит от электродвижущей силы и сопротивления контура «тросы — опора».

Электродвижущая сила, вызывающая прохождение тока в тросах, скла­ дывается из падения напряжения в сопротивлении заземления опоры и маг­ нитной составляющей индуктированного напряжения. В результате прохож­ дения тока по тросу на проводе индуктируется напряжение, зависящее от ве­ личины проходящего тока и коэффициента связи между тросом и проводом:

(8-7)

где

тр "Тр •

Это напряжение будет иметь знак, обратный знаку индуктированных на­ пряжений, так как прохождение тока по тросам в направлении к соседним опорам снижает величину напряжения, приложенного к изоляции линии. Па­ дение напряжения в сопротивлении заземления опор в сочетании с напряже­ ниями, индуктированными электромагнитным полем канала молнии, объеди­ няются в общее понятие перенапряжений прямого удара молнии.

Влияние рабочего напряжения линии электропередачи. Рабочее напряже­ ние на проводах линии изменяется по синусоидальному закону и может в за­ висимости от момента удара иметь различные мгновенные значения. Однако на трехфазной линии в любой момент времени на одной из фаз будет на­ пряжение, совпадающее по знаку с полярностью импульсного разряда мол­ нии. Принимается, что воздействие на изоляцию импульсной волны, наложен­ ной на рабочее напряжение, эквивалентно воздействию импульсной волны с амплитудой, увеличенной на величину рабочего напряжения.

В расчетах грозозащиты рекомендуется принимать среднее за полупериод значение рабочего напряжения 1/Р = 0,675£/Вом. Учет рабочего напряжения имеет практическое значение для установок сверхвысокого напряжения, в ко­ торых рабочее напряжение составляет 7—10% всего напряжения, приложен­ ного к изоляции.

8-2 УРОВНИ ГРОЗОУПОРНОСТИ ЛИНИЙ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ И ЗАЩИТНЫЕ МЕРОПРИЯТИЯ

В момент прямого удара молнии к изоляции линии электро­ передачи приложена разность напряжений на проводе и опоре. В соответствии с описанным выше процессом возникновения ин­ дуктированных перенапряжений электромагнитное поле канала молнии индуктирует на проводе напряжение положительной по­ лярности, а падение напряжения в заземлении опоры, так же как и ток молнии, в большинстве случаев будет иметь отрица­ тельную полярность. Таким образом, напряжение, приложенное к изоляции, будет равно алгебраической сумме напряжений, при­ ложенных к проводу и тросу, и может быть определено из выра­ жения

(8-8)

211

где Umід — сумма электрической н магнитной составляющих ин­ дуктированных перенапряжений.

В тех случаях, когда напряжение, приложенное к изоляции, оказывается больше импульсного 50%-ного разрядного напря­ жения гирлянды, на линии электропередачи происходит грозовое перекрытие. Величина тока молнии, при котором происходит пе­ рекрытие, характеризует защитный уровень линии или уровень грозоупорности.

Линии электропередачи высокого напряжения по технико­ экономическим соображениям специально никогда не рассчиты­ вались на абсолютную грозоупорность. Изоляция линий и меры грозозащиты выбирались таким образом, чтобы без заметного увеличения стоимости линий обеспечить достаточную надеж­ ность эксплуатации.

После непосредственного поражения проводов линии электро­ передачи ток молнии растекается в обе стороны от места пря­ мого удара. Амплитуда волны перенапряжения, воздействующая на изоляцию линии, может быть определена по формуле

(8-9)

где 2К — волновое сопротивление линии с учетом импульсной ко­ роны; / м — амплитуда тока молнии.

При непосредственном поражении проводов перекрытие изо­ ляции линии 330—500 кВ происходит при токах 10—15 кА, ве­ роятность возникновения которых велика. Поэтому в качестве основного средства грозозащиты применяется подвеска зазем­ ленных тросов вдоль всей длины линии электропередачи.

На линиях, защищенных тросом, грозовое перекрытие, как правило, происходит в двух расчетных случаях:

а) после прямого удара молнии в вершину опоры или в тро­ сы вблизи опоры. Перекрытие, называемое обратным, возникает в результате повышения потенциала на опоре;

б) в результате непосредственного поражения молнией про­ водов помимо тросов.

Определение возможности обратного перекрытия при прямом ударе молнии в опору производится путем построения кривой опасных параметров, по которой определяется зона сочетаний амплитуды и крутизны токов молнии, приводящих к перекры­ тию изоляции.

Для того чтобы оценить вероятность перекрытия изоляции линии, необходимо сопоставить изменение во времени напряже­ ния на изоляции по (8-8) с ее вольт-секундной характеристикой, уравнение которой имеет вид:

(8-10)

212

Пересечение вольт-секундной характеристики с кривой напря­ жения, построенной при определенной крутизне тока молнии а и определит время разряда tv\, а следовательно, и амплитуду то­ ка молнии / мі= Оі^рь при которой происходит перекрытие изо­ ляции. На рис. 8-3 схематически изображены кривые изменения напряжения, воздействующего на изоляцию для трех значений крутизны а\, а2, а3, и вольт-секундная характеристика гирлянды изоляторов. Из пересечения этих кривых определяются три зна­ чения времени перекрытия t\, t2, t3. Соответствующие этим вре­ менам значения токов молнии будут:

Таким образом, можно определить все возможные сочетания амплитуды и крутизны тока молнии, которые приводят к пере­ крытию изоляции. Для удобства расчетов следует прежде всего построить кривую

После этого, задаваясь произвольными значениями времени t\, t2, по вольт-секундной характеристике можно определить со­ ответствующие этим временам значения разрядного напряжения І/рь t/ p2 и т. д. Из условия равенства значений напряжения на гирлянде и разности разрядного и среднего рабочего напряже­ ния для разных моментов времени определяем значение кру­ тизны

213

и находим, что в зависимости от значения крутизны разряд про­ изойдет при различных величинах тока молнии

По значениям а* и /мгстроится кривая опасных параметров тока молнии.

Все удары молнии, которые будут изображены точками, на­ ходящимися в области, лежащей справа от кривой опасных па­ раметров, приведут к перекрытию изоляции, в то время как уда­ ры, изображаемые точками, находящимися слева от кривой опасных параметров, оказываются для изоляции безопасными

Защитное действие тросов на линиях электропередачи при­ нято характеризовать показанным на рис. 8-4 углом защиты, образованным вертикалью, проходящей через трос, и линией соединяющей трос с проводом. С уменьшением величины за­ щитного угла улучшается экранирующее действие тросов. Ве­ роятность непосредственного поражения провода зависит не только от величины защитного угла, но и от высоты подвески тросов, т. е. от высоты опор линий электропередачи. Анализ опы­ та эксплуатации показывает, что на линиях электропередачи вы­ сотой до 25—30 м при углах защиты 20—30° количество непо­ средственных поражений провода сравнительно невелико. В то же время при больших углах количество прорывов молнии на провода помимо тросов заметно увеличивается.

На линиях с опорами большей высоты вероятность прорыва существенно возрастает даже при сравнительно небольших за­ щитных углах. Этот вывод подтверждается опытом эксплуата­ ции сооруженных в течение последних лет линий с высокими опорами, на которых количество грозовых перекрытий резко увеличилось. Предполагают, что это явление связано со сниже­ нием отношения высоты ориентировки разряда молнии к высоте проводов и тросов, которые в этом случае попадают в зону ин­ тенсивной ионизации, где молния теряет свои свойства избира­ тельной поражаемости.

В результате анализа опубликованных данных по опыту экс­ плуатации линий электропередачи ПО—500 кВ, а также учета ла­ бораторных исследований рекомендуется следующая эмпири­ ческая формула для расчета количества грозовых отключений, вызванных непосредственным поражением проводов помимо троса:

ры, м.

На основании результатов измерений можно считать, что ам­ плитуда и крутизна фронта волны тока молнии не связаны меж­ ду собой однозначной функциональной зависимостью. В соот­

214