Новый механизм поражения объектов при ударах молнии Текст научной статьи по специальности «Физика»

УДК 621.316.98

НОВЫЙ МЕХАНИЗМ ПОРАЖЕНИЯ ОБЪЕКТОВ ПРИ УДАРАХ

МОЛНИИ

А.Е. УСАЧЕВ, К.П. ЧЕРНОВ, Т.В. ЛОПУХОВА, Э.Р. ГАЙФУТДИНОВА Казанский государственный энергетический университет

В статье рассматривается новый механизм поражения объектов электроэнергетики при ударах молнии. Этот механизм связан с возможностью прорыва молнии через систему молниезащиты по непрерывным струям воды, возникающим во время сильных ливней. Сообщается о модельном эксперименте, подтверждающем новый механизм поражения объектов ударами молний.

Ключевые слова: поражение объектов, потоки воды, молниезащита, удар молнии.

Введение

Теория и практика молниезащиты объектов от прямых ударов молнии постоянно развивается и совершенствуется [1-3]. Вместе с тем ежегодный ущерб от ударов молнии составляет сотни миллионов рублей. В существующей системе молниезащиты не учитывается, что молния в основном происходит во время интенсивных осадков.

В настоящей статье рассматривается новый механизм поражения объектов ударами молнии. Механизм заключается в следующем: во время сильного ливня могут образоваться сильные интенсивные струи воды, стекающие с крыш зданий, навесов, тросов. В условиях загрязненной местности вблизи электрических станций эти струи воды являются проводящими. Молния может пройти вдоль такой струи воды в защищенную зону молниеотвода и поразить объект.

Методика исследования

Для проверки предложенного механизма поражения объектов ударами молний была разработана и создана импульсная установка на напряжение 300-700 кВ, имитирующая удар молнии. Схема установки показана на рис. 1.

Переменное напряжение 220 В через регулятор напряжения РН (0-250 В) подаётся на испытательный трансформатор (ИТ). Накопительная ёмкость С заряжается от высоковольтной обмотки ИТ через высоковольтный выпрямительный столб В, зарядное сопротивление И и индуктивность Ь. Время зарядки до напряжения 9-30 кВ регулируется величиной зарядного сопротивления, и составляло от 1 до 5 секунд. Напряжение измерялось киловольтметром (кУ) марки С-96 по высокой стороне ИТ. При достижении требуемого напряжения зарядки, которое регулировалось расстоянием

© А.Е. Усачев, К.П. Чернов, Т.В. Лопухова, Э.Р. Гайфутдинова Проблемы энергетики, 2013, № 3-4

между шарами шарового разрядника ШР, разрядник пробивался. Накопительная ёмкость разряжалась через индуктивность L и шаровой разрядник (ШР), создавая импульс тока в первичной цепи воздушного трансформатора (ВТ). Величина импульсного напряжения во вторичной обмотке ВТ составляла от 300 до 700 кВ в зависимости от величины зарядного напряжения накопительного конденсатора и, соответственно, силы тока в первичной цепи, которая составляла до 1 кА в импульсе. Величина и форма импульсного напряжения измерялась осциллографом Textroшx 2001 8, подключенным к низковольтному плечу универсального делителя напряжения 7 с коэффициентом деления 2000. Вблизи высоковольтного электрода 1 создавалась непрерывная струя воды 3: подвешивалась нить, по которой стекала водопроводная вода, налитая в полиэтиленовый бак, объёмом 5 литров, в заземлённую ёмкость. В отсутствии потока воды пробой между электродом высокого напряжения 1 и заземлённым электродом 6 происходил по пути 4 (см. рис. 1). При создании струи воды пробой происходил следующим образом: 1) с высоковольтного электрода 1 на струю воды 3; 2) вдоль струи 3 до перпендикуляра к электроду 6; 3) со струи воды и на заземлённый электрод 6. Этот путь, состоящий из трёх участков, обозначен на рис.1, 2 символом 5. На рис.2 представлен участок экспериментальной установки с искровым пробоем вдоль струи воды. Нумерация отдельных элементов экспериментальной установки на рис. 1 и 2 совпадают:

Рис.2. Участок экспериментальной установки с пробоем вдоль струи воды Обсуждение результатов

В 2011 году на открытом распределительном устройстве (ОРУ) одной из электрических станций молния поразила маслопровод блочного трансформатора, прорвав систему существующей молниезащиты. Маслопровод трансформатора имел 4 ступени защиты от прямых ударов молний:

1) молниеотводы, расположенные на дымовых трубах электростанции;

2) молниеотводы, расположенные на крыше главного корпуса и его заземленная крыша;

3) тросовый молниеотвод, расположенный над трансформатором;

4) заземлённые части трансформатора, расположенные выше маслопровода.

Оценка вероятности прямого удара молнии, т. е. прорыва её через эти 4 системы защиты, приводит к исчезающе малой величине. Поскольку событие удара молнии в маслопровод имело место, то это означает, что в этом случае реализовался механизм со значительно большей вероятностью. Для объяснения произошедшего события был предложен механизм прорыва молнии по струе воды.

Во время сильного ливня образовалась непрерывная водяная струя (поток), падающая на маслопровод или вблизи его. Учитывая, что загрязнений в районе

электростанции достаточно, такая струя могла быть проводящей. Удар молнии пришёлся в данный поток, и по струе, разрушив систему молниезащиты, ток молнии прошёл до маслопровода. Если ток молнии может пройти таким путём, то система молниезащиты объектов, расположенных вблизи зданий, под тросовыми молниеотводами или вблизи любых сооружений, которые могут служить источником сильных непрерывных потоков воды, должна быть пересмотрена с целью устранения такой вероятности прорыва молний.

Описание такой причины прорыва системы молниезащиты в литературе нам не встречалось. Его также нет в утверждённых нормативных документах. С целью проверки возникшего предположения о причинах аварии и была разработана и создана импульсная установка на напряжение 300-700 кВ, имитирующая удар молнии. Эксперименты на установке подтвердили возможность прорыва молнии в защищённую молниеотводами зону по струям воды.

Выводы

Предложенный и экспериментально подтверждённый в лабораторных условиях механизм удара молний вдоль непрерывных струй воды требует как проверки в более масштабных натурных экспериментах, так и доработки нормативных документов по молниезащите и введения в них указаний по предотвращению образования потоков воды на или вблизи защищаемых объектов.

Summary

In the paper new mechanism of defeat of power generation facilities at lightning strokes is considered. This mechanism is consist of break of the lightning protection system on the continuous streams of water arising during strong heavy rain. It is reported about the model experiment confirming the new mechanism of defeat of objects with blows of lightnings.

Keywords: defeat of objects, water flows, lightning protection, lightning stroke.

Литература

1. Молниезащита: учеб. пособие / К.П. Чернов. 2-е изд., перераб. и испр. Казань: Казан. гос. энерг. ун-т, 2009.

2. Инструкция по устройству молниезащиты зданий, сооружений и промышленных коммуникаций / (СО-153-34.21.122-2003). М.: Изд-во МЭИ, 2004.

3. РАО «ЕЭС России». Руководство по защите электрических сетей 6-1150 кВ от грозовых и внутренних перенапряжений / под науч. ред. Н.Н. Тиходеева. 2-е изд. С.-Пб.: Изд-во ПЭИПК, 1999.

Поступила в редакцию 28 февраля 2013 г.

Усачев Александр Евгеньевич - д-р физ.-мат. наук, профессор кафедры «Электрические станции» (ЭС) Казанского государственного энергетического университета. Тел: 8 (843) 571-27-54; 8 (843)519-42-70. E-mail: [email protected].

Чернов Константин Петрович - канд. физ.-мат. наук, доцент кафедры «Электрические станции» (ЭС) Казанского государственного энергетического университета. Тел: 8 (843)517-09-33; 8 (843)519-42-70. E-mail: [email protected].

Лопухова Татьяна Викторовна - канд. пед. наук, профессор кафедры «Электрические станции» (ЭС) Казанского государственного энергетического университета. Тел: 8 (843)543-59-55; 8 (843)519-42-70. E-mail: [email protected].

Гайфутдинова Эльмира Рашитовна - ассистент кафедры «Электрические станции» (ЭС) Казанского государственного энергетического университета. Тел: 8 (843)519-42-70; 8 (960) 0387963. E-mail: [email protected].