CC BY
0
ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЯ В ПРИРОДЕ И СПОСОБЫ ЗАЩИТЫ ОТ НИХ
С.Я. Рзаева (Новрузова), старший преподаватель Нахчыванский государственный университет (Азербайджан, г. Нахчыван)
DOI:10.24412/2500-1000-2024-6-3-211-216
Аннотация. В статье даны сведения о характеристиках и формах атмосферных перенапряжений и исследованы способы защиты от них. Рассмотрены способы защиты электрооборудования от перенапряжения с помощью тросовых и стержневых молниеотводов. Установлено, что защита электроэнергетических установок и оборудований от атмосферных перенапряжений осуществляется по двум направлениям. В первом случае цель - предотвратить прямое поражение электроэнергетических установок молнией, а во втором - ограничить или свести к нулю его воздействие на изоляцию, если в системе возникло перенапряжение. Кроме того, представлена информация о принципиальной схеме и принципе работы трубчатых разрядников, используемых для защиты линий от атмосферных перенапряжений. Также в статье представлена информация об электрических параметрах молний и рассмотрены зоны их защиты. Приведены исходные данные для расчета перенапряжений молнии в атмосфере.
Ключевые слова: перенапряжение, удар молнии, молниеотвод, заземляющее устройство, атмосфера, ток молнии.
Во многих случаях нормальные режимы работы энергосистем нарушаются из-за перенапряжений, вызванных ударами молниями. Атмосферное перенапряжение имеют две формы в зависимости от особенностей их образования.
Перенапряжение, вызванное прямым ударом молнии, и перенапряжение, вызванное ударом молнии вблизи устройства.
Удар молнии в землю - это электрический разряд, состоящий из одного или нескольких импульсов тока атмосферного происхождения между грозовым облаком и землей.
Точка удара - точка соединения или соприкосновения молнии с землей, зданием или устройством молниезащиты.
Защищаемый объект - здания или сооружения, их части или площади покрытия, которые защищены от молнии в соответствии требованиям настоящего стандарта.
Устройство молниезащиты-система, позволяющая защитить здание или сооружение от воздействия (удара) молнии. Он сочетает в себе внутренние и внешние устройства защиты.
Устройство прямой молниезащиты (молниеотводы) - комплекс, состоящий из
молниеприемников, токопроводов и зазем-лителей.
Защита от вторичного воздействия удара молнии осуществляется с помощью устройства, ограничивающего действие электрического и магнитного полей молнии.
Молниеприемник - часть, предназначенная для улавливания, привлечения молнии, является частью молниеотвода.
Токоотвод (токопровод) - деталь для передачи тока молнии от молниеприемника к заземлителю, является частью молниепри-емника.
Заземляющее устройство-совокупность заземляющих проводников с заземлителя-ми.
Безопасное расстояние - минимальное расстояние, на котором не может возникнуть опасная искрение между двумя проводниками, находящимися внутри или снаружи защищаемого объекта.
Устройство защиты от перенапряжения - устройство для ограничения перенапряжения между элементами защищаемого объекта [4].
В районах, через которые проходят воздушные линии, также увеличивается годовая грозовая активность и количество уда-
ров молнии из-за длины линии. В результате воздушные линии электропередач подвергаются десяткам ударов молнии на каждые 100 км в год.
Когда в фазный провод попадает молния, максимальный ток молнии создает в проводе такое высокое напряжение, что практически никакая изоляция линии не может его выдержать. Поэтому над фазными проводами на металлических опорах подвешивают один или два защитных троса. Тросы заземляются на каждой опоре. В результате молния, попадающая на фазные провода, принимается этими тросами. Однако наличие тросов не предотвращает в некоторых случаях удары молний о металлические опоры и возникновение высоких потенциалов вокруг пиковой точки. Даже если импульсное сопротивление заземления линии Rimp очень мало, этот потенциал может привести к замыканию изоляции линии или вызвать обратный разряд от стойки к проводу линии.
Наличие тросов не исключает маловероятного удара молнии по проводам линий. По мере увеличения номинального напряжения увеличивается высота опор, усложняется задача молниезащиты линии и увеличивается вероятность молнии. Пробой изоляции линий бывает больше, чем количество ударов молнии по ним.
Потому что для пробоя изоляции линии необходимо импульсное напряжение, достигающее минимального значения разряда, которое зависит от тока молнии и электрических параметров линии. Например, при малом импульсном сопротивлении заземления металлической стойки обратный разряд со стойки возможен только при наличии больших импульсных токов молнии. В то же время удар молнии по фазному проводу.
вызывает обратный разряд даже при небольшом токе. Однако, вероятность удара молнии для линии, у которой провод защищен тросом, очень мала [2].
Когда молния ударяет непосредственно в линию, ток молнии распространяется от этой точки в обоих направлениях. Амплитудное значение генерируемой волны перенапряжения определяется как:
и = I м Z х /2
здесь I м - максимальное значение тока молнии, Z х - импульсное сопротивление линии.
Такое перенапряжение в любом случае вызовет электрический разряд по цепи изолятора. При попадании молнии в одну из линий в соседней линии индуцируется перенапряжение.
Индуцируемая волна перенапряжения достаточно опасна для линий EVX до 35 кВ. Наибольшие значения атмосферных перенапряжений возникают при прямом ударе молнии в провод линии. Иногда роль также играет индукционное напряжение от удара молнии в землю вблизи линии. Такие удары вызывают индукционные перенапряжения. Индукционные перенапряжения, возникающие в фазных проводах, определяются как сумма электрической и магнитной составляющих:
И^ = И +Ит
Защита электроэнергетических установок от атмосферных перенапряжений осуществляется по двум направлениям.
1. В первом случае цель состоит в том, чтобы не допустить воздействия атмосферных перенапряжений на электростанции, то есть поражения молнией.
2. Во втором случае, если в системе имеется перенапряжение, считается целесообразным ограничить или свести к нулю его влияние на изоляцию.
Оборудование станций и подстанций защищено от удара молнии стержневыми, а воздушные линии передачи - тросовыми молниеотводами. Стержневые молниеотводы являются основным средством защиты оборудования подстанций от прямых ударов молнии. Стержневые молниеотводы состоят из следующих частей:
1) молниеприемник;
2) молниеотвод;
3) молниеразрядитель (заземлитель).
Кроме того, для молниезащиты линий
чаще всего используются трубные разрядники. Они имеют два дуговых пролета -внешний и внутренний.
Если по тем или иным причинам в системе возникла волна перенапряжения, для защиты изоляции применяют искровые разрядники, ограничители перенапряже-
ния и системы автоматического переключения (коммутации) [1].
Первый пролет S2, проложенный в разряднике, представляет собой его отделение от нормального внутреннего напряжения, а второй пролет S1 образует внутреннее расстояние между заземленным колпачком задней стенки и дырочным электродом, подключенным к линии (рис. 1). Этот интервал является интервалом внутреннего разряда или интервалом дугогасителя. При приходе импульсной волны сначала пробивается первый интервал - Б 2 , а затем второй - Б 1. Трубка отделена от провода линии интервалом S 2, иначе на трубку всегда действовало бы напряжение линии, вызывая постоянное выделение газа и разрушение ее материала из-за тока утечки, когда волна молнии проходит пробивается интервал S 1, образующаяся дуга выделяет газ внутри трубки и увеличивает давление, а после прохождения воздействия оно передается от заднего заземлённого электрода на землю. Трубчатые разрядники устанавливаются в сети в такой точке, чтобы существовало соответствие между максимальными и минимальными значениями токов короткого замыкания и нижним и верхним диапазонами токов разрядников.
Электрические параметры молнии.
Для расчета значений атмосферных перенапряжений и принятия защитных мер
Конструкция и принципиальная схема трубчатых разрядников представлены на следующем рисунке.
Рис. 1. Прин-
необходимо знать их параметры - полярность зарядов и амплитуду тока, форму волны, крутизну фронта тока молнии, волновое сопротивление канала молнии и длительность разрядного процесса. Полярность заряда молнии может быть положительной или отрицательной. Молниевые разряды наблюдаются преимущественно отрицательной полярности (около 70-90% от общего количества разрядов).
Крутизна фронта является важным показателем волны тока молнии. Крутизна фронта тока молнии, а определяет индуктивные падения напряжения в проводах и индуцированного напряжения в магни-тосвязанных цепях.
а= М
Тот факт, что значения амплитуды тока молнии могут быть массово измерены ферромагнитными регистраторами, позволяет строить кривые вероятности тока молнии.
Для построения кривых вероятности по оси ординат отложено амплитудное значение токов молнии (I 0, а по оси абсцисс -вероятность наличия токов со значением выше этого. На рисунке 2 показаны вероятности максимальной вертикальности фронта тока молнии [1].
ципиальная схема трубчатого разрядника
Рис. 2. Вероятность вертикальности фронта тока молнии 1 - все компоненты положительной и отрицательной молнии; 2 - первые компоненты отрицательной молнии; 3 - конечные компоненты отрицательной молнии.
Защита распределительных устройств линий электропередач, а также некоторых зданий от прямого удара молнии осуществляется стержневыми или тросовыми молниеотводами. Здания конвенционального типа не нуждаются в защите молниеотводами, если у них хорошо заземленная металлическая крыша.
Приведенные ниже зоны защиты молниеотводов (рис. 3) обеспечивают вероят-
ность попадания объекта на землю не более 1,0%. Молниеотвод следует размещать вдали от объекта.
где h - высота рассматриваемой точки объекта, м
- импульсное сопротивление заземления молниеотвода, Ом
Рис. 3. h х разделение защитной зоны на уровни
Контур зоны защиты двухстержневого молниеотвода (два молниеотвода одинако-
вой высоты). Внешние площади 1-й защитной зоны определяются как защита 2Ьх в зоне между молниеотводами 2 [3].
Если объект заземлен, то расстояние по земле от заземлителя объекта до заземли-теля молниеотвода: Ь>0,5&
Рис. 4. Зависимость между величиной наименьшей ширины двойной стержневой зоны защиты от молнии и количества дней с молнией
Исходные данные для расчета грозовых перенапряжений в атмосфере следующие.
1. Интенсивность грозовой деятельности характеризуется числом молниеносных дней в году р или числом грозовых часов р" и между этими величинами существует приблизительная зависимость р" = 1,5р. Число ударов молнии в год в независимом молниеотводе высотой h (м) примерно равно:
N « 0,9 х 10 -6
Число ударов молнии в год на линии электропередачи длиной 1 (км) со средней высотой подвеса воздушного провода или кабеля равно hsr, к тому же верхнее значение наиболее распространенного коэффициента, но дает значение N при определенной стоимости.
N «(1,2 -1,8^г 1 х10-4
2. Ток молнии имеет форму импульса и характеризуется тремя параметрами (I т , а и т). Для равнинных территорий (высота над уровнем моря не более 500 м) вероятность того, что амплитуда тока молнии будет равна или больше I м, можно рассчитать по формуле V 1 [4].
1§ V 1 = —т/60
Вывод. Из-за атмосферных перенапряжений нарушается нормальная работа воздушных линий электропередачи и электрооборудования, что приводит к возгоранию изоляции оборудования и возникновению коротких замыканий и аномальных режимов в электросистемах. В данной статье разъясняются способы защиты воздушных линий электропередач и электрооборудования от атмосферных перенапряжений.
Библиографический список
1. Гасанов Г.А. Высокие напряжения и техника электроизоляции. - Баку, 2009.
2. Важов В.Ф., Лавринович В.А., Лопаткин С.А. Техника высоких напряжений. - Томск, 2006.
3. Техника высоких напряжений: Изоляция и перенапряжение в элекрических системах. Учебник для вузов. - 3-е издание, перераб. и доп. // В.В. Базуткин, В.П. Ларионов, Ю.С. Пинталь; Под общ. ред. В.П. Ларионова. - М.: Энергоатомиздат, 1986.
4. Техника высоких напряжений // И.М. Богатенков, Ю.Н. Бочаров, Н.И. Гумерова, Г.М. Иманов. - М.: Энергоатомиздат, 2003.
5. Разевик Д.В. Атмосферные перенапряжения на линиях электропередачи. - Госэнер-гоиздат, 1979.
OVERVOLTAGES IN NATURE AND WAYS TO PROTECT AGAINST THEM
S.Ya. Rzaeva (Novruzova), Senior Lecturer Nakhchivan State University (Azerbaijan, Nakhchivan)
Abstract. The article provides information about the characteristics andforms of atmospheric overvoltages and explores methods of protection against them. Methods for protecting electrical equipment from overvoltage using cable and rod lightning rods are considered. It has been established that the protection of electrical power plants and equipment from atmospheric overvoltages is carried out in two directions. In the first case, the goal is to prevent direct damage to electrical power installations by lightning, and in the second, to limit or eliminate its effect on insulation if an overvoltage occurs in the system. In addition, information is presented on the circuit diagram and operating principle of tubular arresters used to protect lines from atmospheric surges. The article also provides information about the electrical parameters of lightning and discusses their protection zones. The initial data for calculating lightning overvoltages in the atmosphere are presented.
Keywords: surge, lightning strike, lightning arrester, grounding device, atmosphere, lightning current.
