Перекрытие изоляции

ЭлектроСнабжение

Тема — Перекрытие изоляции. Напряжение перекрытия проходного изолятора. Перекрытием принято называть электрический разряд, который проходит по границе раздела 2 различных сред, обычно такой граница выступает газ — твердый диэлектрик. Электрическое напряжение перекрытия «Uпер» во всех случаях значительней меньше напряжения пробоя «Uпр» газового промежутка с этими же рабочими электродами. Главными причинами данного эффекта (перекрытие изоляции) принято считать непосредственное влияние различных газовых включений между твёрдым диэлектриком и металлом электрода, накопление объемных электрических зарядов на поверхности (боковой) диэлектрического изолятора и отрицательное влияние микрокапель влаги. Газовые включения, имеющимися между металлом электродов и твердой изоляцией, прежде всего, характеризуются высокой напряженностью поля (электрического) в газовом включении. Они определяются некоторыми условиями на границе самого раздела «воздух — твердый диэлектрик». Следует учитывать, что проницаемость твердого диэлектрика выше, по сравнению с проницаемостью (диэлектрической) воздуха, поэтому напряженность электрического поля в воздухе выше, чем в твердом диэлектрике. В газовых включениях ионизация начинается при относительно малом напряжении. Продукты электрической ионизации выходят на поверхность (боковую), накапливаются, увеличивают напряженность поля в имеющемся свободном промежутке и, тем самым, облегчают разряд. Присутствие влажных микрокапель ведёт к увеличению напряженности электрического поля на краях этих мокрых капель и к нежелательному эффекту перекрытия изоляционных промежутков между ними при малом электрическом напряжении, по сравнению, когда поверхность изоляции сухая. Для повышения «Uпер» используют различные ребристые конструкции диэлектрических изоляторов, которые значительно увеличивают путь разряда. Для проходного изолятора напряжение перекрытия, как правило, в несколько раз меньше электрического напряжения перекрытия диэлектрического опорного изолятора при равной длине перекрывающего пути. о связано с довольно близким расстоянием между высокой составляющей напряженности поля и разнопотенциальными электродами в диэлектрическом проходном изоляторе. Высокая электрическая емкость между каналом возникающего разряда и близким электродом (внутренним) зачастую приводит к высокому емкостному току между разрядным каналом и внутренним электродом, что ведёт к разогреву этого канала. Превышение разности потенциалов на диэлектрической изоляции больше критической величины ведёт к изоляционному пробою. Изоляционный пробой при перекрытии изоляции происходит вследствие воздействий ударной ионизации, термической ионизации, фотоионизации в объеме газа, катодной эмиссии электронов. В жидкой среде большое значение имеют присутствующие тепловые процессы и существование некоторых примесей, в твердой диэлектрической изоляции при электрическом пробое происходят тепловые, электрические, электрохимические процессы. При явлении перекрытия изоляции пробивное электрическое напряжение газового промежутка с слабонеоднородным и однородным полем (электрическим) зависит от имеющегося произведения относительной газовой плоскости на промежуток между электродами. Данная зависимость в основном характеризуется понижением прочности (электрической) при увеличении длинны между рабочими электродами при условиях, приближенным к нормальным и содержит минимум при весьма малых давлениях либо очень маленьких расстояниях между имеющимися электродами. В случае быстрого подъема электрического напряжения разрядная разность потенциалов оказывается напрямую связана с предразрядным временным промежутком, данная зависимость носит название вольт-секундной характеристикой диэлектрического изоляционного промежутка. Электрическое напряжение перекрытия рабочих проходных диэлектрических изоляторов меньше разности потенциалов перекрытия опорных изоляторов при равной длине перекрывающего пути. Узнал что-то Новое? Поставь Свой Плюс»

 

« Пред.		След. »

electrikpro.ru

Контрольные вопросы

1.Дайте определение пробоя и приведите основные величины, его характеризующие.

2.Приведите отличия понятий «пробой диэлектрика» и «пробой изоляции» и отличия их количественных характеристик.

3.Перечислите механизмы пробоя диэлектриков.

4.Сформулируйте закон Пашена. Каковы причины такой зависимости?

5.Почему существует зависимость разрядного напряжения от предразрядного времени?

6.Каковы параметры стандартного грозового импульса?

studfiles.net

В современном строительстве частных домов не обойтись без утепления чердачного помещения, сложной по конструкции крыши или мансарды, поскольку во время отопительного сезона через кровлю уходит до четверти тепла. Это требует расходов, зато при качественном утеплении по балкам любого типа чердачного помещения будет заметна экономия тепла во время эксплуатации дома в зимнее время. При монтаже крыши и чердачного помещения обязательно производят утепление по деревянным балкам для снижения потери тепла разными способами, и каждый способ и вид утеплителя имеет свои плюсы.

Оглавление:

1. Устройство чердачного помещения с перекрытиями балочного типа
2. Виды теплоизоляционных материалов для перекрытий
3. Основные характеристики изоляционных материалов
4. Общая характеристика материалов для теплоизоляции
5. Параметры качественного выполнения теплоизоляции чердака

Устройство чердачного помещения с перекрытиями балочного типа

Многие жители верхних этажей городских квартир знают, что такое «плохая» теплоизоляция чердачного помещения или крыши –  зимой там намного холоднее средних этажей, а летом невыносимо душно. Зато грамотное утепление чердачных перекрытий легко решает эту проблему, и перепад температур не особо ощущается при большой амплитуде внешней среды.

Наличие чердачного помещения крайне важно для дома, особенно для двускатной крыши – на ее поверхности не будут скапливаться осадки, а при хорошем утеплении меньше образуется сосулек. Достаточно простая конструкция крыши предполагает хорошо обустроенный чердак с теплоизоляцией перекрытий внутри.

Если делать все по правилам, то необходимо предусмотреть вентиляцию и пароизоляцию с применением фольгированного слоя. Теплоизоляционный наполнитель укладывается между деревянными балками и закрывается монтажной фольгой. Также важна продуманная схема проветривания чердачного помещения, чтобы вовремя удалять избыточную влажность от конденсата, который приводит к образованию трудно выводимого грибка на древесине.

Если все эти моменты учесть, то не столь важно, деревянный дом или другой тип конструкции из современных стройматериалов, правильный теплообмен будет обеспечен. Деревянные балки – наиболее качественный экоматериал для чердачных перекрытий, хотя частично используют бетонные и металлические конструкции.

Деревянным балкам отдают предпочтение по многим причинам, например, из-за небольшой стоимости материала, удобной обработки и отменных теплоизоляционных свойств. Поэтому как бы далеко не уходили современные технологии, а возвращаться приходится к натуральной древесине. Утепление чердачного перекрытия по балкам – относительно простой процесс, особенно когда утеплитель удобно расфасован, остается закрепить его между балками. Иногда к балочным перекрытиям дополнительно прибивают небольшие бруски для крепления изолята.    

Совет: До укладки утеплителя проложите слой хорошего пароизоляционного материала, чтобы скапливающийся пар не задерживался и не разрушал древесину. Важно следить за циркуляцией воздуха, но он не должен проникать в дом с чердака. Фольгированный изолят укладывают слоем фольги вниз. Хорошее утепление с изоляцией может сочетать в себе несколько материалов, немного напоминая слоеный пирог, но это будет наиболее эффективно для сохранения тепла в доме, построенного по всем требованиям энергосбережения.

Виды теплоизоляционных материалов для перекрытий

Современная теплоизоляция перекрытий обустраивается разными методами, и специалисты рекомендуют несколько разновидностей:

• плитный утеплитель;     
• сыпучие материалы;
• напыление теплоизоляционного слоя;
• рулонная теплоизоляция;
• фольгированная прослойка.

Можно применять только один тип материала или комбинировать их, но сыпучие утеплители обычно укладывают на лаги плоской горизонтальной поверхности, например, керамзит, сухая органика, шлак или смесь.

Сыпучий материал укладывают не толще 4-5см поверх пароизоляционного материала типа рубероида. Мансарда предполагает полноценные полы, где лаги под керамзит укладывают поверх цементной стяжки и закрывают фанерой или другим материалом для пола.

Рулонная продукция наиболее удобна для монтажа, например, разновидности технической ваты. При всех достоинствах такой укладки, важно помнить о мелкой взвеси, которая попадает в органы дыхания и на кожу, вызывая раздражения. Поэтому эти материалы используются для изоляции нежилых помещений или под обшивку.

Плиточный материал удобно укладывать при теплоизоляции деревянного перекрытия, особенно когда идет монтаж в 2 слоя. Для предотвращения щелей можно укладывать куски в шахматном порядке, но иногда щели просто набивают паклей.

Утепление потолка по деревянным балкам мансарды делают плитными и рулонными наполнителями и закрывают ГКЛ под штукатурку, чтобы получить дополнительно жилое пространство. Холодное и нежилое чердачное помещение не требует отделки, поэтому слой напыления или брикеты (плиты) теплоизоляции оставляют без дополнительной обработки. Рулонное утепление не требует особого крепления и облагораживания.

Совет: Помните законы физики – тепло всегда поднимается кверху, поэтому утепление потолка со стороны крыши всегда дает общую экономию тепла в доме.

Основные характеристики изоляционных материалов

1. Минеральная или базальтовая вата – надежный и недорогой материал, но с ней нужно аккуратно работать аллергикам, она может дать болезненную реакцию, но при эксплуатации она не вредит. Минвата входит в число легких и недорогостоящих утеплителей, которые известны долговечностью и простотой укладки непосредственно в нишах между балками.

Базальтовая вата делается при переработке горных пород из пыли и отходов, поэтому она имеет невысокую стоимость. Поставка – рулоны и брикеты (плиты). В холодной климатической зоне России имеет смысл укладки базальтовой ваты в 2 слоя, для большей теплоизоляции – слоем до 15-20 см. При укладке слои ваты режутся ножом или большими ножницами и плотно состыкуются без загибания углов и кромки. Основное достоинство – она не требует дополнительной пароизоляции.

Для мансардных помещений понадобится обрешетка для утепления минеральной ватой, чтобы она не слеживалась. Укладку утепления балок перекрытия производят с соблюдением правил техники безопасности. Чтобы не надышаться этой строительной взвесью, используйте очки, респиратор и перчатки.

2. Стекловата по многим параметрам напоминает минеральную вату, но имеет иной состав. Она известна меньшими показателями по некоторым параметрам, например, пожаростойкость, и ее стоимость ниже базальтовых брикетов. Технология укладки также требует защиты кожи, глаз и органов дыхания при укладке, процесс монтажа примерно тот же. Помните, что мелкие обломки стекловаты склонны цепляться за одежду, при попадании на кожу от неё чешутся руки и лицо, использованную одежду после укладки стекловаты лучше утилизировать.

3. Эковата известна отсутствием аллергических реакций, поскольку делается из распушенных волокон целлюлозы. Она поставляется в мешках и засыпается между балками. Эковата известна тем, что почти не горит, благодаря специальным пропиткам, но из-за этого она немного дороже других изолятов. Под нее также требуется прокладка под пароизоляцию для утепления балок перекрытия, но она не  плесневеет и не подгнивает, несмотря на древесное происхождение. Эковата не любит сквозняков, поэтому не подходит для открытого чердака.

4. Сыпучие материалы для теплоизоляции иногда находятся под рукой, например, в приморских районах чердаки утепляют собранными на берегу водорослями, к тому же их не любят грызуны. В качестве изолята применяют смесь шлака и опилок, керамзит или даже сено, солому и сухие листья, которыми в деревнях издавна устилали горизонтальные поверхности чердака. Когда нет возможности использовать качественный утеплитель, сыпучие материалы или шлак пакуют небольшим слоем под целлюлозную мешковину и крепят между балками обрешеткой. Однако это можно рассматривать как временную меру, потому что нет никакой гарантии пожарозащиты при таком утеплении.

5. Керамзит тоже нередко насыпается на лаги плоской поверхности чердака или смешивается с сыпучими материалами, например, с гранулами пенопласта, но эти наполнители любят грызуны, а органика со временем спрессовывается и теряет свои теплоизоляционные свойства. Утепление керамзитом по балкам будет тяжеловато для подшивки крыши. Для засыпки под балочные ниши можно использовать перлит, но это обойдётся дороже.

6. Пенопласт и пенополистирол – самые экономичные материалы, отталкивающие влагу и имеющие прочностью на сгиб или сжатие. Такой материал проще всего резать и монтировать, особенно в 2 слоя, аккуратно заполняя все ниши для теплоизоляции чердачного перекрытия. Пенополистирол (ППС) выпускается в разном виде, он требует хорошей пароизоляции, чтобы испарения из его плит и конденсат не попадали в жилое пространство. Экструдированный пенополистирол пожароопасен, его любят грызуны, но он очень эффективен как теплоизоляция чердаков. Однако при горении он выделяет токсические вещества, поэтому монтаж и эксплуатация помещений требует тщательного соблюдения противопожарных условий. ППС хорошо резать ножом или большими ножницами, но важно делать плотную укладку без щелей. Иногда его крепят на монтажную пену, которой заливают все щели.

7. Напыление пенополиуретаном для утепления чердачного перекрытия по балкам очень эффективно, чем-то напоминает заснеженную поверхность, и его нанесение не зависит от сложности конструкции крыши. Это более дорогостоящий, экологичный и долговечный способ утепления чердачных помещений, который без проблем прослужит до 50 лет, но этим напылением должны заниматься специалисты.

8. При утеплении балок перекрытия чердачного помещения комбинированным способом, с применением фольгированной пароизоляции, получается наиболее надежная теплосберегающая технология. Чем меньше щелей и участков для проникновения холода, тем эффективнее теплоизоляции балок перекрытия. Иногда делается полная обшивка чердака изнутри, включая деревянные балки, но в этом нет необходимости. Исключение – обустройство мансарды под жилое отапливаемое помещение. Для этого также применяется эффективное и дорогое пеностекло и другие современные изоляционные материалы.  

9. Современные строительные работы чердаков офисных помещений невозможны без обработки пеноизолом, и этот способ теплоизоляции выполняется спецоборудованием и только специализированными фирмами. Однако наиболее трудоемкие работы с лихвой окупаются эффективным утеплением и экономным потреблением энергоресурсов.  

Общая характеристика материалов для теплоизоляции

Производство экоматериалов для теплоизоляции чердачных перекрытий движется вперед, поскольку к разработкам технологий привлекаются последние научные достижения. Забота о здоровье потребителей в конечном результате ведет к популярности достаточно дорогого изолята, поэтому при выборе материала важно ориентироваться не только на его стоимость, но и технические характеристики.

Важные параметры:

• низкая теплопроводность;
• небольшой вес;
• влагоотталкивающие качества;
• достаточная пожароустойчивость и огнестойкость;
• токсическая безопасность, особенно при возгорании;
• стойкость к поражению грибком и гнилостным бактериям;
• достаточная водухо- и паропроницаемость;
• неприятие мелких грызунов;
• умеренная плотность и прочность на залом и сжатие;
• сорбционная влажность;
• морозостойкость и устойчивость к перегреванию.

Выбор материала зависит от потребителя, однако эффективность теплосбережения при этом колеблется от 15% до 35%. В суровом климате переплата за обогрев оборачивается большими затратами, если утепление чердачного перекрытия по балкам выполнено неэффективно, то есть реально деньги «вылетают в трубу». Чем теплее чердачное помещение, тем меньше перепад температур и условия для конденсата под кровлей в жилых помещениях, а также дополнительная защита от гибка и плесени.

По большинству показателей совокупно этим требованиям соответствуют:

• минеральная и стекловата;  
• пеноизол, пенополиуретан, пенополистирол.

Перечисленные ранее материалы имеют свои преимущества и немного отличаются по ряду параметров. Например, пенопласт и его производные очень хороши до тех пор, пока не начнут гореть, выделяя токсические вещества. Сухие сыпучие натуральные материалы и экструдированный пенополистирол хороши до тех пор, пока на чердаке заведутся мыши. Тяжелый керамзит утяжеляет общую конструкцию, что нежелательно при слабом фундаменте на плавучих грунтах, а напыление не подходит для использования чердака для временного жилья.

Параметры качественного выполнения теплоизоляции чердака

1. При качественной теплоизоляции чердачного помещения амплитуда температур в зимний и летний период будет существенно отличаться от внешних параметров, приближаясь к оптимальному микроклимату внутри дома.

2. Современная теплоизоляция перекрытий по балкам гарантирует не только защиту чердачного помещения при экстремально низких температурах зимой, но и спасает от удушливой жары летом, экономя на кондиционировании.

3. Соблюдение технологий теплоизоляции очевидно по минимальному количеству конденсата и влажности в закрытом чердачном помещении, однако проветривание необходимо во всех случаях.

4. Хорошая паро- и гидроизоляция существенно увеличивает время  эксплуатации кровельных несущих конструкций, препятствует образованию грибка и плесени на деревянных балках, а коррозия меньше разрушает детали из металла.

5. Правильно обустроенные чердачные окна и отверстия для вентиляции способствуют снижению влажности на чердаке и не образуют излишних сквозняков.

6. Снаружи о качественно обустроенной теплоизоляции чердака свидетельствует минимальное образование сосулек и наледи на крыше. Снаружи кровельные материалы должны оставаться холодными, чтобы снег и наледь не образовывалась на поверхности крыши.

strport.ru

Воздушные электрические сети часто поражаются молнией из-за своей большой протяженности. Например, линия длиной всего 50 км при средней высоте подвеса молниезащитного троса (или проводов, если трос отсутствует) 15 м, проходящая по территории с 30 грозовыми часами в году, поражается в среднем 9 раз в год. От подстанции отходят обычно несколько линий, они все вместе подвергаются ударам молнии многие десятки раз за грозовой сезон.

Что касается подстанций, то удары молнии в них происходят очень редко. К примеру, подстанция площадью 100×100 м², защищенная молниеотводами высотой 20 м, в районе с D_г = 30 гр.ч/год поражается в среднем 1 раз за 10 лет. При этом удары, в основном, поражают молниеотводы, так как вероятность прорыва молнии в их зону защиты составляет 0,5–1,0 %.

На линиях электропередачи удары молнии происходят в фазные провода и в опоры, а на линиях с молниезащитными тросами еще и в трос. Наиболее слабым элементом в отношении электрической прочности является изоляция проводов на опорах, прежде всего гирлянды изоляторов.

Оценить напряжение U_пр, возникающее на проводе линии без тросов при ударе в него молнии, можно по формуле

, (7.17)

где z_к – волновое сопротивление провода при его коронировании. Двойкой в знаменателе учитывается растекание тока молнии по проводу в обе стороны.

При коронировании провода его емкость по отношению к земле увеличивается, поскольку провод при этом бывает окружен слоем ионизированного воздуха, по сути дела увеличивающим его эквивалентный диаметр. Волновое сопротивление провода соответственно уменьшается. При токе молнии 60 кА и волновом сопротивлении 400 Ом на проводе возникает напряжение 12 MB. Металлическая или железобетонная опора заземлена, и это напряжение оказывается приложенным к гирлянде изоляторов. Импульсное разрядное напряжение гирлянд сравнительно невелико. Например, на линиях напряжением 110 кВ оно составляет примерно 700 кВ, поэтому еще на фронте тока молнии произойдет перекрытие гирлянды, т.е. электрический разряд между проводом и опорой по воздуху вдоль гирлянды.

После перекрытия изоляции пораженного молнией провода в путь тока практически вместо волнового сопротивления z_к включается значительно меньшее импульсное сопротивление заземления опоры R_и.Если разряд молнии произошел в провод недалеко от опоры, то через нее проходит почти полный ток молнии (порядка 95 %). Опора и пораженный провод приобретают потенциал, приблизительно равный

, (7.18)

где а_м – крутизна фронта тока молнии, кА/мкс; L₀ – удельная индуктивность опоры, мкГн/м; h_оп – высота опоры, м.

Если I_м = 60 кА, а_м= 30 кА/мкс, L₀ = 0,6 мкГн/м – для одностоечной железобетонной опоры, h_оп =17,5 м и импульсное сопротивление заземления опоры R_и = 7,5 Ом, то U_пр = U_оп = 765 кВ. При таком напряжении, казалось бы, можно ожидать разряда с опоры на провод другой фазы, так называемого обратного перекрытия гирлянды, и двухфазного короткого замыкания. Однако этого не происходит, так как на соседнем проводе вследствие электромагнитной связи с коэффициентом K_к индуктируется напряжение того же знака, что и на пораженном проводе. Значение напряжения на втором проводе определяется как

, (7.19)

а напряжение, приложенное к гирлянде второго провода –

. (7.20)

В рассматриваемом примере U_пр = 765 кВ, a K_к = 0,24, напряжение второго провода U_пр2 =765×0,24 = 184 кВ и напряжение на гирлянде U_г2 =765^.(1 – 0,24) = 580 кВ, что меньше ее разрядного напряжения, равного 700 кВ.

Обратное перекрытие гирлянды изоляторов второй фазы может произойти при значениях I_м, а_мили R_и больше принятых в рассмотренном примере.

Заметим, что на двухцепных опорах обратное перекрытие гирлянды изоляторов на другой, параллельной цепи означает короткое замыкание между двумя цепями. Приэтом могут отключиться обе цепи, поэтому такое развитие событий должно быть исключено.

Коэффициент электромагнитной связи, в противоположность волновому сопротивлению, при коронировании провода увеличивается. Вследствие возрастания емкости коронирующего провода по отношению к соседнему происходит перераспределение напряжений в системе «пораженный провод–2-й провод–земля», в результате чего напряжение между проводами снижается.

Помимо прямых ударов молнии в линии, вызывающих наибольшие перенапряжения, при ударах молнии вблизи линий на них возникают индуктированные перенапряжения. Заряды лидерного канала молнии связывают на проводе заряды противоположного знака (рис. 7.32). Электрическое поле связанных зарядов уравновешивается полем лидера, поэтому потенциал провода во время лидерной стадии равен нулю (рабочее напряжение относительно мало и не учитывается). Во время главного разряда заряды лидера нейтрализуются, при этом связанные на проводе заряды освобождаются, что сопровождается повышением потенциала провода и образованием импульсов напряжения, распространяющихся по проводу в обе стороны. Так возникает электрическая составляющая индуктированного напряжения U_иэ. Значение ее прямо пропорционально линейной плотности зарядов лидерного канала, средней высоте подвеса провода h_cp и обратно пропорционально кратчайшему расстоянию b от провода до точки удара молнии. Учитывая, что , получаем

Рис. 7.32. К оценке индуктированных напряжений

, (7.21)

где K_э – коэффициент пропорциональности, уменьшающийся при возрастании скорости главного разряда v_г.

Изменение магнитного поля при главном разряде приводит к возникновению магнитной составляющей индуктированного напряжения U_им в петле опора–гирлянда изоляторов–провод–земля. Максимальное значение возникающего на гирлянде напряжения прямо пропорционально току молнии и скорости его нарастания, высоте подвеса провода и обратно пропорционально расстоянию от провода до точки удара молнии:

, (7.22)

где K_м – коэффициент, возрастающий с увеличением скорости главного разряда.

Максимальное значение индуктированного напряжения равно

. (7.23)

Наибольшее влияние индуктированные перенапряжения при ударах молнии в землю могут оказывать на эксплуатацию линий 6–10 кВ на металлических или железобетонных опорах и незначительное – на работу линий 35 кВ, имеющих разрядное напряжение гирлянд изоляторов порядка 350 кВ.

Среднегодовое число отключений воздушных ЛЭП из-за индуктированных перенапряжений существенно меньше аналогичной характеристики при прямых ударах молнии в ЛЭП. Поэтому в расчетах по молниезащите индуктированными перенапряжениями обычно пренебрегают.

Уменьшение числа грозовых отключений воздушных ЛЭП достигается двумя основными способами. Первый способ связан с уменьшение вероятности перекрытия изоляции, второй – с уменьшением вероятности перехода импульсного перекрытия в устойчивую дугу тока короткого замыкания. Первый способ реализуется подвеской тросовых молниеотводов и созданием малого импульсного сопротивления заземления опор. При этом, с одной стороны, резко снижается вероятность непосредственного поражения молнией фазных проводов и, с другой стороны, снижается импульсное напряжение на изоляции при ударах в опоры и тросы. Второй способ осуществляется путем удлинения пути перекрытия (использование изоляционных свойств дерева на линиях с деревянными опорами), что приводит к снижению средней рабочей напряженности, или с помощью дугогасящих реакторов в сетях 6–35 кВ, что дает уменьшение тока дуги однофазного замыкания на землю и значительное увеличение вероятности ее самопроизвольного погасания.

Грозоупорность линий на деревянных опорах бывает достаточно высокой, в основном, за счет низкого значения вероятности перехода импульсного перекрытия в устойчивую дугу, а также высокого междуфазного разрядного напряжения. Такие линии обычно не оборудуются грозозащитными тросами.

Линии на металлических и железобетонных опорах, напротив, имеют низкое разрядное напряжение гирлянд и высокую вероятность перехода импульсного перекрытия в устойчивую дугу.Вследствие этого их грозоупорность обычно бывает небольшой. Поэтому линии напряжением 110 кВ и выше на металлических опорах, как правило, защищаются тросовыми молниеотводами. В то же время некоторые из таких линий нецелесообразно защищать тросами. Эти случаи оговорены ниже.

На линиях 6–35 кВ, работающих с изолированной нейтралью, применение грозозащитных тросов нецелесообразно, поскольку вследствие малой электрической прочности изоляции практически любой удар молнии в трос приводит к обратному перекрытию с троса на провод. Поэтому наиболее эффективными мерами, повышающими грозоупорность таких линий, являются оборудование их АПВ и установка дугогасящего реактора.

В последние годы в промышленно развитых странах для линий 6–10 кВ широко стали применяться изолированные провода. Для таких линий при грозовом перенапряжении (в том числе и индуктированном) происходит перекрытие изолятора линии, а затем – пробой твердой изоляции провода. Весьма часто перекрытие переходит в дугу промышленной частоты, которая горит в месте пробоя изоляции до тех пор, пока линия не будет отключена. В случае больших токов КЗ или длительного горения дуги это приводит к пережогу провода, т.е. к серьезной аварии на линии. В аналогичной ситуации у линии с неизолированными проводами пережоги проводов происходят относительно редко, поскольку вследствие электродинамических сил дуга перемещается по оголенному проводу.

В настоящее время без грозозащитных тросов сооружаются:

воздушные линии до 35 кВ с металлическими, железобетонными, а также с деревянными опорами;

воздушные линии 110 и 220 кВ с деревянными опорами;

воздушные линии 110–500 кВ с металлическими и железобетонными опорами в районах с числом грозовых часов в году менее 20.

Как показал опыт эксплуатации, во всех перечисленных случаях и без применения тросов может быть обеспечена необходимая грозоупорность. Таким образом, следует рассмотреть грозоупорность воздушных линий без тросовой молниезащиты для двух случаев: 1) на деревянных опорах, 2) на металлических и железобетонных опорах.

Основным показателем грозоупорности воздушных линий служит удельное число отключений (откл./100 км×100 гр.ч):

, (7.24)

где – удельное число ударов молнии в линию по (7.10) или (7.12), Р_пер – вероятность импульсного перекрытия линейной изоляции, – вероятность перехода импульсного перекрытия в устойчивую дугу замыкания.

Для воздушных линий на металлических и железобетонных опорах считается, что удары молнии распределяются между проводами линии и опорами поровну, т.е.

, (7.25)

где и – доли ударов в провода и в опоры.

Вероятность импульсного перекрытия линейной изоляции рассчитывается по критическому значению тока молнии, называемому также защитным уровнем линии . Значение критического тока находится из условий равенства воздействующего напряжения и импульсного разрядного напряжения изоляции U_50%. Вероятность токов молнии, равных или больше значения , и равна вероятности перекрытия изоляции.

Для воздушных линий на металлических и железобетонных опорах в системах с заземленной нейтралью (напряжения 110 кВ и выше) при ударах молнии в фазные провода согласно (7.17)

, (7.26)

где U_50% – импульсное 50 % разрядное напряжение гирлянды изоляторов или штыревых изоляторов, если применяются последние. По найденному току определяется вероятность импульсного перекрытия изоляции при ударе молнии в провод – .

Значение U_50%, кВ, для гирлянды изоляторов можно определить либо по справочным данным, либо оценить по приближенной формуле:

, (7.27)

где l_г – длина гирлянды изоляторов, м.

Значение U_50% соответствует напряжению, при котором перекрытие изоляции происходит с вероятностью 50 %.

Для воздушных линий на металлических или железобетонных опорах в системах с изолированной нейтралью (напряжения 35 кВ и ниже) удар молнии в фазный провод приводит к перекрытию гирлянды изоляторов этой фазы из-за малых значений U_50% и соответственно I_зу1 с вероятностью, близкой к единице. Однако отключения линии не происходит при таком однофазном замыкании на землю. Для отключения линии необходимо образование двух- или трехфазного короткого замыкания при перекрытии гирлянд изоляторов других фаз. Если учесть, что на проводах этих фаз за счет электромагнитной связи наводится потенциал при протекании тока молнии по первой фазе (см. (7.20)), то в результате протекания тока молнии только по импульсному сопротивлению заземления опоры R_и ток защитного уровня I_зу2 определяется как

, (7.28)

где K_к – коэффициент электромагнитной связи между проводами фаз при их коронировании. Падением напряжения на индуктивном сопротивлении опоры при этом вследствие его малости обычно пренебрегают. По току I_зу2 определяется вероятность импульсного перекрытия изоляции при ударе молнии в провод для этого случая . Из (7.23) следует, что вероятность импульсного перекрытия тем меньше, чем меньше импульсное сопротивление R_и. Поэтому на линиях 35 кВ на металлических опорах без тросов целесообразно применять дополнительные заземлители для уменьшения сопротивления заземления опор.

При ударах молнии в опоры напряжение U_оп на вершине опоры определяется по (7.18). Считая, что это напряжение приложено к изоляции и приравнивая его разрядному 50%-му напряжению гирлянды изоляторов, получаем:

. (7.29)

Условия импульсного перекрытия изоляции зависят при ударах молнии в опоры не только от тока молнии, но и от крутизны фронта. Опасное сочетание I_м и а_м, при котором возможно перекрытие изоляции, находится в заштрихованной области рис. 7.27,а. Вероятность импульсного перекрытия Р_оп гирлянды изоляторов (в этом случае обратного перекрытия – с опоры на провод), может быть упрощенно определена следующим образом. Задаваясь значениями а_ми получая

соответствующие значения I_м, строим зависимость (рис. 7.33,а). Затем преобразуем ее в зависимость (рис. 7.33,б).

Рис. 7.33. Кривая опасных параметров (а), определение вероятности перекрытия изоляции (б). Площадь заштрихованной области дает значение Рпер = Роп

Поскольку значения I_м и а_мпринимаются независимыми случайными величинами, то

, (7.30)

т.е. вероятность обратного перекрытия изоляции определяется заштрихованной площадью на рис. 7.33,б, которая ограничена кривой вероятности опасных параметров.

При таком способе расчета не учитывается вольт-секундная характеристика гирлянды изоляторов, что приводит к некоторому завышению вероятности Р_оп, но с другой стороны, не учитываются электрическая и магнитная составляющие индуктируемого молнией в линии напряжения, что несколько снижает вероятность обратных перекрытий.

В системах с заземленной нейтралью перекрытие одной гирлянды изоляторов при ударе молнии в опору может привести к отключению линии. У воздушных линий в системах с изолированной нейтралью при ударе молнии в опору отключение возможно только при перекрытии изоляции по крайней мере двух гирлянд и образовании двухфазного замыкания на землю. Расчеты с использованием (7.29) и (7.30) позволяют определить вероятность перекрытия одной гирлянды. Обозначим ее как Р_оп1. Наиболее вероятным случаем перекрытия изоляции сразу нескольких гирлянд является случай перекрытия изоляции двух гирлянд, который рассматривается как два совместных независимых случайных события с вероятностью

. (7.31)

Этот случай и является расчетным для воздушных линий в системах с изолированной нейтралью.

В линиях с номинальным напряжением до 220 кВ наряду с металлическими и железобетонными опорами находят применение также и деревянные опоры. У таких линий практически все удары молнии происходят в провода. Древесина обладает изоляционными свойствами, и в расчетах дополнительную импульсную прочность, создаваемую деревянными траверсами, принимают Е_ср = 70 кВ/м, если используются гирлянды подвесных изоляторов, и Е_ср = 100 кВ/м при использовании штыревых изоляторов.

Перекрытия изоляции на линиях с деревянными опорами происходят, в основном, между фазными проводами по пути гирлянда–траверса–гирлянда. В этом случае

, (7.32)

где, – импульсное 50 % разрядное напряжение одной гирлянды изоляторов, l_дер – длина участка деревянной траверсы между фазами в м.

Ток защитного уровня при ударе в провод определяется как

, (7.33)

который определяет .

Итак, в инженерных расчетах вероятность импульсного перекрытия линейной изоляции Р_пер воздушных линий на металлических и железобетонных опорах без тросов на напряжения 110 кВ и выше определяется как

, (7.34)

где Р_оп определяется по (7.30).

Для таких же линий на напряжения 35 кВ и ниже

, ( 7.35)

где Р_оп определяется по (7.31).

Для воздушных линий на деревянных опорах

. ( 7.36)

По пути импульсного перекрытия изоляции проходит ток промышленной частоты, возникает дуга. Если дуга горит устойчиво и не гаснет, происходит отключение линии. Вероятность перехода импульсного перекрытия в устойчивую дугу оценивается по средней рабочей напряженности (Е_ср, кВ/м, – действующее значение) вдоль пути перекрытия l_пер, м.

Для воздушных линий на металлических и железобетонных опорах длина l_пер равна длине гирлянды изоляторов l_г или высоте штыревого изолятора. Средняя рабочая напряженность вычисляется по наибольшему рабочему фазному напряжению U_н.р.ф (действующее значение). Тогда для таких воздушных линий

. ( 7.37)

Для воздушных линий на деревянных опорах перекрытие происходит между фазами. Длина пути перекрытия определяется как сумма длины двух гирлянд изоляторов и длины участка деревянной траверсы между фазами

. (7.38)

Поскольку l_пер находится под воздействием линейного напряжения линии U_н.р.л, то

. (7.39)

Значение вероятности вычисляется по эмпирической формуле

, ( 7.40)

где – средняя рабочая напряженность, определяемая по (7.37) или (7.39) в соответствие с конкретным случаем, кВ/м. Если по (7.40) получается меньше 0,1 или больше 0,9, то в расчетах принимаются эти предельные значения.

Для воздушных линий на металлических и железобетонных опорах с учетом опыта их эксплуатации в расчетах принимаются обычно следующие значения вероятности _гдля гирлянд изоляторов:

(7.41)

Грозовые отключения воздушных линий стросами могут происходить главным образом по следующим причинам: 1) удар молнии в вершину металлической или железобетонной опоры или в трос вблизи опоры с последующим обратным перекрытием изоляции с опоры на провод; 2) прорыв молнии через тросовую защиту (т.е. поражение провода) с последующим перекрытием с провода на ближайшую опору или между фазами; 3) удар молнии в трос в пролете между опорами и перекрытие воздушного промежутка трос–провод.

Расчеты и опыт эксплуатации линий показывают, что вероятность пробоя воздушного промежутка между тросом и проводом при ударе молнии в трос пренебрежимо мала, и с нею можно не считаться, если расстояние трос–провод составляет не менее 2% длины пролета между опорами линии. Минимальные расстояния между тросом и проводом в середине пролета по вертикали в соответствии с ПУЭ должны быть следующими:

Длина пролета, м
Расстояние трос-провод, м		3,2		5,5		8,5		11,5

Обратное перекрытие линейной изоляции с опоры на провод фазы может произойти, если напряжение на изоляции достигнет ее импульсного разрядного напряжения или превысит его. Вероятность импульсного обратного перекрытия Р_оп гирлянды изоляторов с опоры на провод можно определить аналогично случаю ЛЭП без грозозащитных тросов по (7.30). При более детальных расчетах можно учесть также индуктируемые током молнии напряжения в петле опора–провод–земля и вольт-секундную характеристику гирлянды изоляторов. Однако чаще расчеты проводят по упрощенной методике.

Упрощенно вероятность импульсного перекрытия изоляции при ударе молнии в опору Р_оп можно определить по значению тока защитного уровня

, (7.42)

где для линий с двумя тросами и для линий с одним тросом.

Очевидно, что при двух тросах доля тока в опоре меньше, чем при одном тросе, и критическое значение тока молнии выше. Увеличение высоты опоры, а значит, и ее индуктивности, приводит к росту напряжения на гирлянде изоляторов и вследствие этого – к уменьшению критического тока.

Упрощенная методика может быть использована для оценки числа отключений воздушных линий напряжением до 500 кВ при сопротивлениях заземлений опор до 30 Ом.

Последние обобщения опыта эксплуатации позволили также предложить формулу для расчета :

, ( 7.43)

где

.

Здесь – угол тросовой защиты, градусы; h_тр и h_пр – средние высоты подвеса троса и провода, м; – превышение троса над проводом, м; – горизонтальное смещение троса относительно провода, м; r_пр – радиус провода (эквивалентный радиус для расщепленной фазы), м; U_ном – номинальное напряжение линии, действующее значение, МВ.

Таким образом, вероятность перекрытия линейной изоляции Р_пер воздушных линий на металлических и железобетонных опорах с тросами можно оценить по формуле

, (7.44)

где P_пер.пр – вероятность перекрытия изоляции линии при ударе молнии в провод с учетом вероятности ее прорыва через тросовую защиту; – доля ударов молнии в опоры (в трос вблизи опор) от общего числа поражений линии, l_п – длина пролета ЛЭП. Величина P_пер.пр традиционно находится по формуле

, (7.45)

где P_пр – вероятность перекрытия изоляции линии при ударе молнии в провод, определяемая по критическому току (7.26).

Конструкция формулы (7.45) предполагает, что вероятность прорыва молнии в зону защиты тросового молниеотвода не зависит от тока молнии. В то же время с позиции электрогеометрического метода провод могут поражать только молнии с токами меньше критического значения I_кр. Перекрытие изоляции линии при этом возможно при токах молнии, превышающих ток защитного уровня I_зу по (7.37). В результате с учетом (2.7) вероятность перекрытия изоляции линии с тросовой защитой при ударе молнии в провод с точки зрения электрогеометрического метода

. (7.46)

При I_зу > I_кр перекрытие изоляции произойти не может (поскольку молнии с токами больше критического не могут проникать в зону защиты тросов) и вероятность .

Детального анализа расхождения формул (7.45) и (7.46) и сравнения их с экспериментальными результатами пока не проводилось. Поэтому отдать предпочтение какой-либо из этих формул в настоящее время не представляется возможным.

Удельное число отключений линии можно определить в соответствии с (7.10) и значением вероятности перехода импульсного перекрытия в устойчивую дугу замыкания по (7.40) или (7.41) в зависимости от типа линии.

Рис. 7.34. Типовой импульс напряжения в середине пролета при ударе молнии в трос

Рассмотрим удар молнии в трос в середине пролетамежду двумя опорами. Предполагается, что трос хорошо заземлен на опорах, т.е. R_и << z_тр, где z_тр – волновое сопротивление троса. Обычно z_тр = 350–400 Ом. Для расчета принимается косоугольная форма фронта импульса тока молнии (рис. 7.34). При ударе молнии в трос в обе стороны от места удара по тросу начинают распространяться импульсы напряжения. Через интервал времени ( – длина пролета, v – скорость распространения импульса вдоль троса) эти импульсы возвратятся одновременно к месту удара, отраженные с переменой знака от сопротивлений заземления двух ближайших опор, и будут складываться с основным импульсом молнии.

До прихода отраженных импульсов напряжение на тросе определяется как

. (7.47)

При условии (большинство случаев) после прихода отраженных импульсов в точку удара (пунктирная линия на рис. 7.34) рост напряжения на тросе прекратится. Подставив в (7.47) время , получим максимальное напряжение на тросе для указанного условия

, (7.48)

которое зависит от крутизны фронта импульса тока молнии и не зависит от его амплитуды.

Напряжение между тросом и проводом с учетом индуктированного на проводе напряжения равно

. (7.49)

Если при этом амплитуда тока молнии I_м такова, что , где – импульсное разрядное напряжение воздушного промежутка трос–провод, то при величине крутизны фронта импульса a_м, превышающей некоторое критическое значение ( ), становится возможным пробой промежутка трос–провод в середине пролета. Найдем , кА/мкс, приравняв напряжение импульсному разрядному напряжению ,

. (7.50)

Здесь – расстояние между тросом и проводом, м, – средний разрядный градиент напряжения промежутка трос–провод, кВ/м, (обычно кВ/м); м/мкс – скорость распространения импульса по коронирующему тросу; – время распространения импульса напряжения по коронирующему тросу в пределах пролета линии, мкс.

Вид критического импульса напряжения на тросе, при котором еще возможен рассматриваемый вид пробоя, показан на рис. 7.35. Критическое значение амплитуды тока молнии при этом можно определить из соотношения . Поскольку принято считать и независимыми случайными величинами, то вероятность пробоя промежутка трос–провод определяется из выражения

, (7.51)

где и находятся с помощью распределений (7.4) и (7.5) соответственно.

Рис. 7.35. Критический импульс напряжения в середине пролета при ударе молнии в трос

Как уже отмечалось ранее, удар молнии в трос в середине пролета является расчетным случаем для выбора расстояния между тросом и проводом. Выражение (7.51) связывает характеристики пролета воздушной линии с вероятностью пробоя промежутка трос–провод. Задаваясь определенной вероятностью пробоя, с помощью (7.51) определяют соответствующее значение , а затем с помощью (7.50) – требуемую электрическую прочность промежутка и необходимое расстояние между тросом и проводом.

Удельное число отключений линий с тросами с учетом пробоя промежутка трос–провод обычно вычисляется по формуле

, (7.52)

где – удельное число ударов молнии в линию, – вероятность перехода импульсного перекрытия в устойчивую дугу замыкания для гирлянды изоляторов на опоре по (7.36), – вероятность перехода импульсного перекрытия в устойчивую дугу замыкания для промежутка трос–провод, – средняя наибольшая рабочая напряженность в промежутке трос–провод, кВ/м, U_н.р.ф – наибольшее рабочее фазное напряжение, кВ.

При более детальных расчетах иногда учитывают также многокомпонентность молнии, возможность перекрытия гирлянды изоляторов на опоре при ударе молнии в трос и протекании тока троса по опоре и ее заземлителю, форму импульса тока молнии с учетом влияния на нее параметров электрической цепи разряда.

studopedia.ru

Антропов И. М. и др. Влияние перекрытий изоляции линии…

УДК 621.311

И. М. Антропов, Б. В. Ефимов, Ю. М. Невретдинов

Влияние перекрытий изоляции линии на формирование грозовых перенапряжений

I. M. Antropov, B. V. Efimov, Yu. M. Nevretdinov

Influence of line isolation overlappings on formation of lightning overvoltages

Аннотация. Представлена модель защиты подстанции от грозовых волн, в которой учтены многократные перекрытия изоляции линии. Показано влияние многократных перекрытий изоляции на опорах линии на формирование грозовых перенапряжений. Выявлена неоднозначность определения опасных параметров тока молнии при фиксированной длине его фронта.

Abstract. The model of substation protection against lightning waves with considered multiple overlappings of line isolation has been presented. Influence of multiple overlapping of isolation on line support on formation of lightning overvoltages has been shown. Ambiguity of determination of lightning current dangerous parameters at the fixed length of its front has been revealed.

Ключевые слова: грозовые волны, грозозащита подстанции, модель перекрытия изоляции.

Key words: lightning surges, lighting protection of substation, isolation overlapping model.

Введение

Моделирование грозовых перенапряжений в системе "подстанция с подключенными воздушными линиями (ВЛ)" [1], как правило, выполняется с учетом однократного перекрытия изоляции линии на подходах. Однако при ударах молнии в провод или трос возникающая волна перенапряжения распространяется по проводу или тросу в обе стороны от точки удара и, соответственно, действует на изоляцию пораженной фазы на нескольких опорах, расположенных как по направлению к подстанции, так и в противоположном направлении. При перекрытиях изоляции на нескольких опорах ВЛ возникают дополнительные точки преломлений и отражений волн, что может существенно изменить процесс формирования грозовых перенапряжений на подстанции. Лишь при ударах молнии вблизи опоры ВЛ с перекрытием изоляции на этой опоре распространяющаяся по тросу волна не создает повторных перекрытий, как правило, при низком сопротивлении заземления опор. В этом случае можно считать модель однократного перекрытия изоляции ВЛ достаточной.

В случаях ударов молнии на удалении от опоры образовавшиеся волны могут вызвать перекрытия изоляции на обеих опорах, близких к точке удара. Также возможно образование повторных перекрытий изоляции на разных опорах ВЛ при ударах молнии в провод, если первое перекрытие изоляции произошло на опоре с высоким сопротивлением заземления. В этих случаях образование повторных перекрытий изоляции ВЛ создают дополнительные точки отражений, которые создают условия для формирования опасных перенапряжений на оборудовании подстанции. Такая ситуация наиболее вероятна в районах с низкой проводимостью грунта, к которым относится Кольский полуостров [2].

Характеристика исследуемой подстанции

Рассмотрим целесообразность учета многократных перекрытий изоляции ВЛ [2] на примере подстанции 110 кВ в Мурманском регионе. Выбор параметров линии и подстанции определен тем, что на территории Кольского полуострова эксплуатируется 77 подстанций на напряжении 110-150 кВ. 55 % подстанций 110-150 кВ работают по блочным схемам: 1ВЛ-1Т или 2ВЛ-2Т с неавтоматической перемычкой. Схема 2ВЛ-2Т в итоге может быть сведена либо к первой, либо к схеме 1ВЛ-2Т, которая возможна при длительном выводе одной из линий в ремонт или недостаточной мощности одного трансформатора. Режим 2ВЛ-1Т не используется по условиям надежности. Таким образом, рассмотрение схем 1ВЛ-1Т и 1ВЛ-2Т охватывает 60 % подстанций Кольской энергосистемы.

При моделировании грозовых перенапряжений использована схема 1ВЛ-1Т. Принципиальная схема подстанции 110 кВ представлена на рис. 1.

Ошиновка ОРУ выполнена проводом АС-120/19. Высота ошиновки — 10 м. Расстояние между фазами по горизонтали — 2 м.

Выбор типа защитных аппаратов типа ОПН-110/88/550/10 основан на том, что в системе 51 % трансформаторов 110-150 кВ эксплуатируются в режиме с разземленной нейтралью. При этом возможно

672

Вестник МГТУ, том 18, № 4, 2015 г.

стр. 672-679

возникновение опасных для ОПН внутренних перенапряжений, поэтому применяют ОПН с повышенным на 20 % наибольшим допустимым рабочим напряжением [3], [4].

Параметры линии на подходе также выбраны по конструктивному исполнению линий 110 кВ, характерных для Кольской энергосистемы:

— расстояние от ОРУ до первой опоры — 50 м; средняя длина пролета — 200 м;

— число изоляторов в гирлянде — 8 шт; длина гирлянды изоляторов — около 1 м;

— погонная индуктивность опор — 0,75 мкГн/м;

— защитный угол троса — 30°;

— расстояние между проводом и тросом в середине пролета — 4,5 м;

— удельное сопротивление грунта вдоль трассы — 1 000 Омм;

— сопротивление заземления опор — 30.. .60 Ом.

Расчетная модель защиты подстанции от грозовых волн

Расчетная модель подстанции с подключенной линией приведена на рис. 2. Она включает блок подстанции и блок подхода ВЛ из моделей трех пролетов. Блок подстанции состоит из входных емкостей оборудования подстанции — разъединителей линейного (РЛ) и междушинного (1РП), отделителя (ОД-110), трансформатора тока (ТТ-110) и силового трансформатора (Т-1), а также из модулей отрезков ошиновки, соединяющих узлы подстанции и модели защитных аппаратов (ОПН). Входные емкости оборудования, модули ошиновки и модель ОПН имеют трехфазное исполнение.

Каждая модель пролета состоит из двух модулей отрезков линии (П-110-3), что позволяет подключать модель молнии в токе соединения этих модулей в трос или один из фазных проводов и, меняя их длину, моделировать удары молнии в провод на различном удалении от опор. На рис. 2 представлен расчетный случай удара молнии в опору или трос в непосредственной близости от опоры 1. Вольт-секундная характеристика модели перекрытия гирлянды изоляции линии (FLASH) задана в соответствии с формулой Горева — Машкиллейсона:

где A и В — коэффициенты, определенные по методике НИИПТ: для перекрытий с провода на опору А = 605 кВ, В = 1,661 мкс; для обратных перекрытий с опоры на провод А = 595 кВ, В = 2,388 мкс.

Начало отсчета предразрядного времени т принято в момент превышения напряжения на гирлянде изоляции амплитуды наибольшего рабочего фазного напряжения сети (103 кВ).

Учет однократного перекрытия изоляции ВЛ на опоре (мономодель) выполнен одной моделью, расположенной в непосредственной близости от удара молнии по направлению движения волны к подстанции. Учет многократных перекрытий изоляции ВЛ на опорах (полимодель) выполнен расположением нескольких моделей, расположенных по обе стороны от точки удара молнии в обоих направлениях движения волн (рис. 2). Модели опор включают индуктивности элементов опор и сопротивление их заземления (ЗУ оп.).

В программе ATP-EMTP моделирование импульсной короны может быть выполнено сосредоточенными элементами [5]. Однако дискретное подключение моделей короны может значительно исказить процесс формирования грозовой волны на подходе, поэтому в расчетах действие короны не учтено, что, по мнению авторов, допустимо для пробега волны расстояний до нескольких сотен метров.

Модель молнии выбрана в соответствии с [6], [7], т. е. с учетом нулевой начальной производной тока на фронте. Эквивалентное сопротивление канала молнии принято 1 000 Ом.

ОПН

Рис. 1. Принципиальная схема подстанции 110 кВ

673

f

L_i mp

50 Гц

rG>

L

LCCV П- 11С -3

ж й. Й

П- 110- 3

П- 110- 3

ПОДХОД

П- 110- 3

ПС

2м

23м

Г ирлянда

2м

23м

ЗУ оп. 4

т~Пг—

Л_ 5^=1РП-"0

5м

3м

3м

1 5м

Т 5м —1—

3 ..I

^ ОД-110

3

ТТ- 110

3

№/-

'З'У'Л!. опн

5м_

Чалая

j—' R(ib—

ОПН

3

Г-1

•vyiAi, опн

LCC

LCC

LCC

Рис. 2. Расчетная модель подстанции 110 кВ с подходом подключенной линии, выполненная в ЕМТР. Сопротивления заземляющих устройств опор (ЗУ оп.) и контура подстанции (ЗУ ПС);

FLASH — модель импульсного перекрытия гирлянды изоляции на опоре;

ОПН 110/88/II — модель защитного аппарата одной фазы; Т-1 — входная емкость силового трансформатора; L_i rrp — модель канала молнии; П-110-3 — модель отрезка линии; LCC — модель отрезка ошиновки

Вестник МГТУ, том 18, № 4, 2015 г.

стр. 672-679

Основные расчетные случаи

Удар молнии в трос в середине пролета

Пример кривых опасных токов молнии (КОТ) для удара молнии в трос в середине 2-го пролета между опорами 1 и 2 (150 м от ОРУ) приведен на рис. 3. В расчетах учтено однократное перекрытие гирлянды на опоре 1 (рис. 2) — мономодель перекрытий. Второй вариант расчета — размещение моделей перекрытия изоляции на всех опорах подхода и на портале (полимодель). Сопротивление заземления опор в приведенном примере принято 60 Ом.

I, кА

100,00

30.00

60.00

40.00

20.00 0,00

КОТ (мономодеяь) —■ КОТ{палцмод&яь)-

Ч;

Г, кА/мкс

0,00 10,00 20,00 30,00 40,00 50,00 60,00 70,00 80,00 00,00

Рис. 3. Кривые опасных токов при ударе молнии в трос в середине 2-го пролета

Из рис. 3 видно, что учет многократных перекрытий изоляции ВЛ приводит к снижению кривой опасных токов молнии (КОТ) (в координатах амплитуда Г и крутизна Г тока молнии) для значений крутизны тока молнии менее 20 кА/мкс. Таким образом, ограничение числа точек перекрытий изоляции мономоделью в расчетной модели может привести к недооценке опасности ударов молнии. Для пояснения на рис. 4 приведены осциллограммы перенапряжений на гирляндах изоляции 1-й и 2-й опор при ударе молнии с амплитудой тока 40 кА и длиной фронта импульса тока 3 мкс, полученные на расчетной модели с моно- и полимоделью перекрытий изоляции на опорах ВЛ. Здесь же показаны перенапряжения на силовом трансформаторе Т-1.

Как видно, при моделировании перекрытия изоляции на 1-й опоре (по ходу волны к подстанции) (рис. 4, а) перенапряжение на изоляции 1-й опоры не превышает разрядное напряжение, и перекрытия не происходит. Соответственно, перенапряжения на трансформаторе отсутствуют. Однако перенапряжение на гирлянде опоры 2 достигает разрядного напряжения изоляции линии (рис. 4, а).

В полимодели перекрытий изоляции (рис. 4, б) на опоре 2 учитывается обратное перекрытие с опоры на провод, и образованная волна на проводе создает опасное перенапряжение на трансформаторе. Таким образом, упрощенное моделирование не выявляет все случаи опасных ударов молнии.

Рис. 4. Сопоставление расчетов формирования перенапряжений на трансформаторе при ударе молнии в трос в середине пролета. Параметры тока молнии — амплитуда 40 кА, длина фронта 3 мкс: а — мономодель перекрытий на опоре; б — полимодель перекрытий

675

Антропов И. М. и др. Влияние перекрытий изоляции линии…

При удалении точки удара молнии от ОРУ подстанции разница в кривых опасных токов при расчетах моно- и полимоделированием перекрытий изоляции становится практически незаметной. Для примера на рис. 5 представлены КОТ при ударе молнии в трос в середину 3-го пролета (350 м от ОРУ).

Рис. 5. Сопоставление расчетов КОТ для мономодели и полимодели перекрытий изоляции на подходе

При уменьшении сопротивления заземления опор до 30 Ом вероятность обратных перекрытий изоляции (с опоры на провод) снижается, поэтому влияние полимодели на КОТ проявляется лишь при ударах молнии в трос в середину первых двух пролетов.

Удар молнии в опору c тросом

Для случаев удара молнии в опоры на подходе к подстанции (рис. 1) расчеты выполнены с варьированием величины сопротивления заземления опор R3 = 30 Ом и R3 = 60 Ом. В табл. 1 дано сопоставление результатов расчетов опасных параметров токов молнии при ударах в опоры или трос вблизи опоры для вариантов моно- и полимоделирования перекрытий изоляции ВЛ. В табл. 1 даны граничные значения амплитуд токов молнии, разделяющие области опасных и безопасных токов, при варьировании длины фронта импульса тока. Рассмотрены варианты ударов молнии в опоры 1 и 2.

Таблица 1

Опасные параметры тока молнии при ударе в 1 и 2 опоры

Точка удара молнии Длина фронта, мкс Амплитуда опасных токов молнии, кА

Мономодель перекрытий Полимодель перекрытий

При сопротивлении заземления опор

30 Ом 60 Ом 30 Ом 60 Ом

Опора 1 (50 м от ОРУ) 0,5 >40,0 >36,0 40-62 36-49

1 >41,0 >36,0 41-81 >36

2 >53,0 >40,0 >53,0 >40

Опора 2 (250 м от ОРУ) 0,5 >41,0 >29,0 >41,0 >29,0

1 >45,0 >28,0 >45,0 >28,0

2 >46,0 >26,0 >46,0 >26,0

Из табл. 1 видно, что различие опасных токов молнии в расчетах с полимоделью перекрытий изоляции ВЛ проявилось лишь для ударов молнии в опору 1 при длине фронта тока молнии 1 мкс и менее. При этом область опасных токов молнии сузилась, т. е. по амплитуде токов эта область ограничена "сверху". Это объясняется тем, что при больших амплитудах тока молнии вторичное перекрытие изоляции на портале подстанции снижает уровень перенапряжений. Отметим, что этот эффект проявляется и при сопротивлении заземления опоры 30 Ом.

Прорывы молнии на фазный провод ВЛ мимо тросовой защиты

В расчетном случае прорывов молнии на провод также, как в случае ударов молнии в опоры, отмечается образование дополнительных интервалов опасных и безопасных амплитуд токов молнии. При этом диапазон неоднозначности оценки опасности расширяется в сторону увеличения длины фронта тока молнии.

Иллюстрация изменений в оценке опасных параметров тока молнии для прорывов на провода мимо тросовой защиты дана в табл. 2. Здесь рассмотрены удары молнии на расстоянии 25 и 50 м от ОРУ.

676

Вестник МГТУ, том 18, № 4, 2015 г.

стр. 672-679

Таблица 2

Опасные параметры тока молнии при прорывах на провод (R3 опор 30 Ом и 60 Ом)

Точка удара молнии Длина фронта, мкс Амплитуда опасных токов молнии, кА

Мономодель перекрытий Полимодель перекрытий

При сопротивлении заземления опор

30 Ом 60 Ом 30 Ом 60 Ом

Провод в середине 1-го пролета (25 м от ОРУ) 0,5 4-10 и >45 4-10 и>42 4-10 и >54 4-10 и >54

1 4-11 и >36 4-11 и >33 4-11 и >49 4-11 и >48

2 >5,0 >5,0 5-18 и >39 5-18 и >38

3 >7,0 >7,0 >7,0 >7,0

Провод у опоры 1 (50 м от ОРУ) 0,5 4-10 и>22 4-10 и >15 4-10, 22-41 и>89 4-10, 15-39 и >76

1 4-9 и >18 >4,0 4-9 и >18 >4,0

2 >5,0 >5,0 >5,0 >5,0

Из приведенных в табл. 2 данных видно, что применение полимодели перекрытий изоляции ВЛ -увеличение числа точек возможных перекрытий при прорывах молнии в провода линии приводит к следующим изменениям:

— смещение верхней границы опасных амплитуд тока молнии; так, для прорыва молнии на расстоянии 25 м при длине фронта тока 1 мкс верхняя граница опасных амплитуд изменяется от 36 кА до 49 кА (для R3 опор 30 Ом) и от 33 кА до 48 кА (для R3 опор 60 Ом);

— образование дополнительных зон безопасных значений амплитуды тока молнии; так, для ударов молнии с длиной фронта 2 мкс образуется зона безопасных токов от 18 кА до 38.. .39 кА.

Таким образом, в рассмотренной схеме грозозащиты подстанции 110 кВ более точный учет числа возможных перекрытий при прорывах молнии на провода приводит к увеличению показателя надежности защиты.

Для иллюстрации влияния полимодели перекрытий на формирование перенапряжений и формирование областей безопасных параметров на рис. 6 приведены осциллограммы перенапряжений на силовом трансформаторе тупиковой подстанции (рис. 1) для расчетов с учетом перекрытий моно- и полимоделью. Здесь же показан уровень предельно допустимых грозовых перенапряжений для силового трансформатора 468 кВ.

Рис. 6. Сопоставление осциллограмм на трансформаторе подстанции при прорыве молнии на провод вблизи опоры 1 для вариантов моделирования перекрытий изоляции моно- или полимоделью

677

Антропов И. М. и др. Влияние перекрытий изоляции линии…

Приведенные осциллограммы соответствуют расчетному варианту прорыва молнии на провод вблизи опоры 1 при длине фронта тока молнии 0,5 мкс.

Как видно, при амплитуде тока молнии 8 кА перенапряжения на силовом трансформаторе превышают допустимый уровень (верхние осциллограммы). При увеличении тока появляется зона безопасных токов молнии, так, для амплитуды 12 кА перенапряжения ниже уровня допустимых перенапряжений. Это свидетельствует об ограничении перенапряжений вследствие перекрытия гирлянды изоляции на опоре 1. При дальнейшем повышении амплитуды тока молнии уровень перенапряжений увеличивается и при токе 30 кА становится опасным.

Как видно, форма и опасность перенапряжений одинакова при расчетах с мономоделью и полимоделью перекрытий для токов от 30 кА и менее. Однако при дальнейшем увеличении амплитуды тока молнии формирование перенапряжений отличается при использовании полимодели. Так, при токе молнии 45 кА перенапряжения, полученные расчетом с мономоделью, являются опасными, а перенапряжения при расчетах с полимоделью вновь становятся безопасными. Это объясняется влиянием перекрытия гирлянды изоляции на портале. Таким образом, ограничение числа точек возможных перекрытий изоляции вместе с упрощением моделирования может привести к переоценке опасности ударов молнии в провода.

Отметим, что представленные результаты получены для условий, способствующих эффективному действию грозозащитных мер. К ним относятся: компактное исполнение ОРУ, применение ОПН, небольшое расстояние от ОПН до защищаемого трансформатора (15 м), расположение ОПН по ходу волны относительно трансформатора, отсутствие учета спуска к ОПН и его индуктивности, большое число изоляторов в гирлянде на подходе линии, что снижает вероятность обратных перекрытий при ударах молнии в опоры и трос.

Изменение этих факторов может способствовать увеличению влияний повторных перекрытий изоляции на формирование перенапряжений и необходимости использовать полимодели перекрытий изоляции на опорах и портале ОРУ.

Заключение

1. Показано, что упрощение расчетных моделей защиты подстанций от грозовых волн, набегающих по линиям, за счет учета возможных перекрытий изоляции ВЛ на одной из опор может привести к искажению процессов формирования перенапряжений на оборудовании подстанций и снизить достоверность результатов расчетов. При этом вносимые искажения могут привести как к завышению, так и занижению показателей эффективности системы грозозащиты в целом и отдельных мероприятий.

2. В расчетах с варьированием амплитуды тока молнии при фиксированной длине фронта возможна неоднозначность определения опасных параметров тока молнии. Это также снижает точность расчетных исследований в задачах грозозащиты подстанций.

Библиографический список

1. Руководство по защите электрических сетей 6-1150 кВ от грозовых и внутренних перенапряжений. РД 153-34.3-35.129-99. СПб. : Изд-во ПЭИПК, 1999. 353 с.

2. Регистрация грозовых перенапряжений на подстанции / Ефимов Б. В. [и др.] // Труды КНЦ РАН, Энергетика. Вып. 5. Апатиты, 2012. С. 28-37.

3. Методические указания по применению ограничителей в электрических сетях 110-750 кВ. М. : НТК "Эл-Проект", 2000. 68 с.

4. Дмитриев М. В. Применение ОПН в электрических сетях 6-750 кВ. СПб., 2007. 60 с.

5. Ефимов Б. В. Оптимизация схем замещения систем "подход ВЛ — подстанция" для целей анализа надежности грозозащиты подстанций // IV Российская конф. по молниезащите : сб. докладов. СПб., 2014. С. 373-382.

6. Кадомская К. П., Лавров Ю. А., Рейхерд А. Перенапряжения в электрических сетях различного назначения и защита от них : учебник. Новосибирск : Изд-во НГТУ, 2004. 319 с.

7. Дмитриев В. Л., Дмитриев М. В. Параметры разряда молнии в задачах грозозащиты // Известия РАН. Энергетика. 2005. № 4. С. 54-61.

References

1. Rukovodstvo po zaschite elektricheskih setey 6-1150 kV ot grozovyh i vnutrennih perenapryazheniy [Guidelines for electrical networks 6-1150 kV protection from storm and internal surge]. RD 153-34.3-35.12999. SPb. : Izd-vo PEIPK, 1999. 353 p.

2. Registratsiya grozovyh perenapryazheniy na podstantsii [Registration of lightning overvoltages in the substation] / Efimov B. V. [i dr.] // Trudy KNTs RAN, Energetika. Vyp. 5. Apatity, 2012. P. 28-37.

3. Metodicheskie ukazaniya po primeneniyu ogranichiteley v elektricheskih setyah 110-750 kV [Guidance on use of limiters in electrical power networks 110-750 kV]. M. : NTK "El-Proekt", 2000. 68 p.

678

Вестник МГТУ, том 18, № 4, 2015 г.

стр. 672-679

4. Dmitriev M. V. Primenenie OPN v elektricheskih setyah 6-750 kV [Application of NAO 6-750 kV electric networks]. SPb., 2007. 60 p.

5. Efimov B. V. Optimizatsiya shem zamescheniya sistem "podhod VL — podstantsiya" dlya tseley analiza nadezhnosti grozozaschity podstantsiy [Optimization of replacement systems "approach AL — substation" for the analysis of reliability of lightning protection of substations] // IV Rossiyskaya konf. po molniezaschite : sb. dokladov. SPb., 2014. P. 373-382.

6. Kadomskaya K. P., Lavrov Yu. A., Reyherd A. Perenapryazheniya v elektricheskih setyah razlichnogo naznacheniya i zaschita ot nih [Surges in electric networks for different purposes and protection against them] : uchebnik. Novosibirsk : Izd-vo NGTU, 2004. 319 p.

7. Dmitriev V. L., Dmitriev M. V. Parametry razryada molnii v zadachah grozozaschity [Parameters of lightning in the problems of lightning protection] // Izvestiya RAN. Energetika. 2005. N 4. P. 54-61.

Сведения об авторах

Антропов Илья Михайлович — ПО "ЦЭС" филиала ОАО "МРСК Северо-Запада" "Колэнерго", инженер; e-mail: antropov.i.m@yandex.ru

Antropov I. M. — PO "CES" IDGC of the North-West, PJSC, engineer; e-mail: antropov.i.m@yandex.ru

Ефимов Борис Васильевич — Центр физико-технических проблем энергетики Севера КНЦ РАН, лаборатория высоковольтной электроэнергетики и технологии, д-р техн. наук, директор; e-mail: bvefimov@rambler.ru

Efimov B. V. — Centre for Physical and Technological Problems of Energy in Northern Areas of KSC RAS, Laboratory of High-voltage Electro Energy and Technology, Dr of Tech. Sci., Professor, Director; e-mail: bvefimov@rambler.ru

Невретдинов Юрий Масумович — Центр физико-технических проблем энергетики Севера КНЦ РАН, лаборатория высоковольтной электроэнергетики и технологии, канд. техн. наук, вед. науч. сотрудник, доцент; e-mail: ymnevr@mail.ru

Nevretdinov Yu. M. — Centre for Physical and Technological Problems of Energy in Northern Areas of KSC RAS, Laboratory of High-Voltage Electroenergy and Technology, Cand. of Tech. Sci., Leading Researcher; e-mail: ymnevr@mail.ru

679

cyberleninka.ru