Грозоупорность линий электропередач

Грозоупорность ЛЭП определяется как число отключений ЛЭП за год в результате воздействия молний. Она различна для линий с тросами и без тросов. Такой показатель, хотя и является реальным для каждой ЛЭП, но не позволяет проводить сравнение между собой грозоупорности ЛЭП различной длины и в районах с различной грозовой активностью. Часто с этой целью применяют показатель удельной грозоупорности ЛЭП, где ведётся расчёт количества отключений для линий длиной 100 км при числе грозовых часов в году равным 100.

Грозоупорность ЛЭП без тросовой защиты

В расчётах молниезащиты при прямых ударах молнии (ПУМ) в ЛЭП без тросовой защиты считается, что удары распределяются поровну между ударами в опору и фазный провод.

Удар молнии в опору

При ударе молнии в опору по ней протекает ток через заземлитель опоры в землю. На опоре наводится напряжение, которое имеет две основные слагаемые.

(1.8).

где — импульсное сопротивление заземления опоры, L_y — удельная индуктивность опоры, h_тр — высота траверсы опоры, на которой подвешен провод, I_м и а — амплитуда тока молнии и крутизна фронта, соответственно.

Значения некоторых удельных индуктивностей приведены в таблице 2.

Таблица 2. Удельные индуктивности некоторых типов опор.

Пример 3. Рассчитать напряжение на траверсе относительно земли для опоры примера 2 при попадании в неё молнии током I_м = 40 кА и крутизной а = 20 кА/мкс. Заземление опоры R_з = 10 Ом, коэффициент импульса k_и = 0,5.

Импульсное сопротивление заземления опоры составит = R_з k_и = 5 Ом и первое слагаемое в (8) равно 200 кВ. Второе слагаемое в (8) равно 0,713,320=186 кВ. Суммарное напряжение на траверсе относительно земли составит U_пр = 386 кВ.

Разностное напряжение между наведённым напряжение и мгновенным значением фазного напряжения на проводе ЛЭП прикладывается к изоляторам ЛЭП. Если это напряжение превысит U_50% изолятора (гирлянды), то произойдёт перекрытие воздушного промежутка между траверсой и проводом. Такое перекрытие называют обратным. Пятидесяти процентное импульсное напряжение (U_50%) называют импульсной прочностью изолятора (гирлянды). С достаточной для расчётов точностью оно может быть оценено по строительной высоте изолятора (гирлянды) H_и и среднему пробивному напряжению (Е_ср) воздушных промежутков в резко неоднородном электрическом поле. Для ЛЭП 6 -35 кв можно использовать значение Е_ср = 5 кВ/см. .

При строительной высоте изолятора 50 см его импульсная прочность составит 250 кВ. Попадание молнии примера 3 в опору приведёт к обратному перекрытию изоляции провод — траверса.

Если известна импульсная прочность гирлянды из справочных данных, то следует использовать справочные данные.

Напряжение на опоре, которое приводит к обратному перекрытию с опоры на провод, зависит как от тока молнии, так и от крутизны фронта молнии. Например, согласно (1.8) при токе молнии равном нулю, перекрытии произойдёт при крутизне фронта.

.

а при крутизне фронта равном нулю, ток молнии должен быть.

.

Поскольку события появления молнии с определённым током и определённой крутизной считаются независимыми, то для определения вероятности обратного перекрытия изоляции приходится строить так называемую кривую безопасности. Общая вероятность обратного перекрытия.

(1.9).

Удар молнии в провод

При ударе молнии в фазный провод ЛЭП считается, что удар пришёлся на середину пролёта между двумя опорами. В этом случае ток молнии растекается по проводам в обе стороны от места поражения и создаёт на импульсном волновом сопротивлении провода (Z_пр) дополнительное падение напряжения, которое можно оценить по закону Ома:

. (1.10).

Импульсное волновое сопротивление рассчитывается с учётом возникновения коронного разряда при прохождении импульса молнии. Возникновение короны увеличивает ёмкость провода относительно земли и волновое сопротивление провода уменьшается. Уменьшение составляет 10 15%.

Ток молнии, при котором происходит перекрытие изоляции провода, называют критическим током или защитным уровнем линии. Ток защитного уровня в этом случае определится.

(1.11).

Пусть импульсное волновое сопротивление провода составляет 300 Ом. При попадании в провод молнии примера 2,3 на изоляции провода возникнет напряжение 40 200 = 6000 кВ. Это напряжение почти в 20 раз больше напряжения примера 3, т. е. при таком сочетании параметров удар в провод более опасен для изоляции, чем при ударе молнии в опору. В этом случае также произойдёт перекрытие изоляции на опоре. Для перекрытия изоляции при таких значениях волнового сопротивления достаточно тока 1,67 кА. Вероятность появления молний с такими токами близка к единице. Можно утверждать, что при ПУМ в ЛЭП 6 -35 кВ вероятность импульсного перекрытия изоляции практически равна единице.

Если после прохождения импульса молнии дуга горит устойчиво и не погасает, то говорят, что импульсная дуга перешла в силовую дугу. Вероятность перехода _с зависит от средней напряжённости поля Е_ср при максимальном допустимом рабочем фазном напряжении линии (). Для ж/б и металлических опор в (1.9) вместо U_50% следует подставить.

(1.12).

Если используются деревянные траверсы, то при расчётах по (1.11) к строительной высоте изолятора следует добавить эквивалентную длину по траверсе от изолятора до заземляющего спуска. Эту эквивалентную длину можно получить, разделив расстояние в сантиметрах по траверсе до спуска на 5 при использовании штыревых изоляторов и на 7 для подвесных изоляторов.

где (1.13).

m = 5 (7) для штыревых (подвесных) изоляторов.

Значение вероятности _с вычисляют по эмпирической формуле.

(1.14).

Импульсную прочность (U_50%) для междуфазного перекрытия определяют на ЛЭП с металлическими (ж/б) траверсами как.

(1.15).

где — импульсная прочность гирлянды изоляторов и штыревого изолятора. Для ЛЭП с деревянными траверсами.

(1.16).

где Е_ср2 — средняя напряжённость вдоль траверсы (Е_ср2 = 70 кВ/м при подвесных изоляторах и Е_ср2 = 100 кВ/м для штыревых изоляторов), l_тр — длина траверсы меду изоляторами фаз.

В этом случае ток защитного уровня определится.

(1.17).

где Кк — коэффициент электромагнитной связи между проводами, который для ЛЭП 6 -35 кВ может быть принят равным 0,24. При расстоянии между фазами 3 м и строительной высоте изолятора 50 см U_50% = 250 кВ, а I_зу = 32,8 кА. Вероятность появления тока молнии с таким или большим током равна 0,484. Очевидно, что снижение импульсного сопротивления заземления опоры приводит к увеличению тока защитного уровня и снижению вероятности перехода однофазного замыкания в междуфазное.

Пример 4. Рассчитать вероятность перехода импульсной дуги в силовую дугу при поражении молнией крайнего провода на ЛЭП 35 кВ с металлическими (ж/б) и деревянными траверсами с горизонтальным расположением фазных проводов на штыревых изоляторах.

Пусть строительная высота изолятора 50 см, а максимальное рабочее междуфазное напряжение 38 кВ, тогда.

кВ, а Е_ср1 = 0,44 кВ/см, и =0,66.

Если используется деревянная траверса с.

= 3 м, то, а =0,26.

ЛЭП 6 -35 кВ как правило работают с изолированной или компенсированной нейтралью. Однофазное замыкание на землю в таких сетях не является коротким замыканием, и отключения ЛЭП не происходит. Однако, импульсное перекрытие изоляции с вероятностью _м приводит к между фазному, которое отключается системами релейной защиты. Вероятность _м также рассчитывается по (1.14), но при расчёте средней напряженности в (1.12, 1.13) следует подставлять двойную строительную высоту изолятора. Это объясняется тем, что междуфазное перекрытие происходит по кратчайшему эквивалентному пути изолятор — траверса — изолятор. грозоупорность перенапряжения заземления линии электропередачи.

Пример 5. Рассчитать вероятность междуфазного перекрытия изоляции по данным примера 4.

Для ЛЭП с металлическим (ж/б) траверсами длина дуги 250 = 100 см, Е_ср1 = 0,22 кВ/см, и. Если траверса деревянная, то, а =0,16.

ЛЭП без устройств автоматического повторного включения (АПВ) будут отключаться за год N раз:

(1.18).

где Ро — вероятность удара молнии в опору, Роп — вероятность обратного перекрытия с опоры на провод (1.9), Рп — вероятность удара молнии в провод, Р(I_зу) — вероятность возникновения молнии с током защитного уровня или большим током (1.17), м — вероятность перехода искрового замыкания между фазами в силовую дугу (1.14). При расчётах можно принять Ро = Рп =0,5.

Совместив данные примеров 2 и 5, получим, что такая ЛЭП будет отключаться 1,8 и 0,96 раз при использовании металлических (ж/б) и деревянных траверс.

При использовании на ЛЭП устройств АПВ для расчёта случаев перерыва электроснабжения в формулу (1.18) следует добавить множитель, равный вероятности неуспешного срабатывания АПВ. По статистике вероятность успешного повторного подключения линий составляет _АПВ0,85, тогда грозоупорность ЛЭП без тросов можно определить по.

(1.18 а) для вышеприведённого примера число отключений составит 0,27 и 0,14 раза. Следует отметить, что каждое успешное АПВ ЛЭП после ударов молнии хотя и оставляет линии в работе, происходит через время, определяемое уставками релейной защиты, т. е. кратковременные перерывы электроснабжения потребителей возникают. Кроме этого, остаточный ресурс выключателей АПВ снижается пропорционально числу отключения ЛЭП по (1.18).

Для ЛЭП класса 6 -35 кВ эффективным мероприятием по повышению устойчивости электроснабжения является снижение средней напряжённости электрического поля Е_ср1 по (1.11, 1.12) за счёт увеличения длины дуги. Это достигается установкой на ЛЭП современных длинно искровых разрядников (РДИ) различного типа, которые хорошо зарекомендовали себя в условиях эксплуатации. При относительно недорогой цене они практически исключают возможность перехода искрового замыкания в устойчивую силовую дугу между фазами, т. е. исключают отключения ЛЭП и сберегают ресурс выключателей АПВ.

Другим эффективным мероприятием, но дорогостоящим, является установка нелинейных ограничителей напряжения параллельно изоляторам ЛЭП.

Удар молнии вблизи ЛЭП (индуцированные перенапряжения При ударе молнии в землю вблизи ЛЭП на проводах индуцируются перенапряжения, величину которых можно оценить по формуле.

(1.19).

где — средняя высота подвески провода, b — расстояние от точки удара молнии в землю до провода ЛЭП.