Загальні відомості про грозу та атмосферні перенапруги

T

Рисунок 9.1–Форма імпульсу внутрішніх (комутаційних) перенапруг

Комутаційні перенапруги в значній мірі залежать від характеристик обладнання, головним чином від вимикачів і схем мережі і характеризуються відносно незначними амплітудами в межах 2,5…3,5 U_фнм.

Дугові перенапруги виникають при горінні дуги, при замиканні на землю однієї фази, в установках з ізольованою нейтраллю (переміжної дуги). В цьому випадку можливе виникнення масових перекриттів ізоляції на непошкоджених фазах.

Максимальне значення амплітуд дугових перенапруг знаходиться в межах 3,1…3,4 U_фнм. Дугові перенапруги шкідливі не лише своєю амплітудою, а і значною тривалістю існування, так як при ОДЗ лінія може залишатися під напругою тривалий час.

Резонансні перенапруги. В електричних мережах присутні в значній кількості елементи які здатні накопичувати електричну та магнітну енергію – ємність та індуктивність. Комбінація цих елементів створює ряд коливальних контурів. В нормальному режимі роботи ці коливальні контури зашунтовані навантаженням і тому в них не можливе виникнення суттєвих коливань із небезпечними амплітудами. Але при деяких схемах комутації в мережі, головним чином аварійних, частина таких коливальних контурів від’єднується від навантаження і в них виникає можливість виникнення вільних коливань і, відповідно, виникнення перенапруги.

Максимальне значення амплітуд резонансних (ферорезонансних) перенапруг знаходиться в межах 2,2…4,2 U_фнм.

За літературними джерелами, в мережах із повітряними лініями електропередачі частка пошкоджень ізоляції електрообладнання від впливу атмосферних перенапруг становить до 80 %, при однофазних замиканнях на землю – 10%, від ферорезонансних перенапруг – 5% і від комутаційних перенапруг – 5%.

В кабельних мережах причиною 80 % пошкоджень є дугові перенапруги при ОДЗ, 10 % – ферорезонансні та 10 % – комутаційні.

Для нормальної ізоляції сільських електроустановок і мереж із повітряними лініями більшість комутаційних перенапруг не створюють небезпеку.

Над земною поверхнею весь час рухаються хмари. Під дією струменів теплого повітря, що піднімається від землі, найдрібніші частинки, з яких складаються хмари (кристали льоду, краплі води), труться між собою і наелектризовуються. Електричні заряди накопичуються на обкладинках своєрідного конденсатора, в якому одна обкладинка (хмара) заряджається негативними зарядами, а друга обкладинка (земля) позитивними зарядами.

Напруженість електричного поля «хмара-земля» становить в середньому 1 кВ/мм (1 МВ/м). На кінцях опор ліній електропередачі, будівель, на верхівках дерев, що перебувають у цьому полі, напруженість поля збільшується, так як зменшується відстані між протилежно зарядженими поверхнями.

Повітря – це діелектрик (електрична міцність Е_пр = 2…3 кВ/мм), але коли напруженість електричного поля досягає критичного значення (2,5…3,0 кВ/мм) відбувається пробій повітря – розряд у вигляді блискавки. Приблизно 50 % лінійних блискавок складається із 3…4 або більше розрядів. Інтервали між розрядами становлять соті і навіть тисячні долі секунди.

Розряд починається з утворення каналу слабого світіння, що рухається поштовхами із швидкістю 100…1000 км/с ступенями довжиною близько 50 м. Ця фаза блискавки називається ступінчатим лідером. Коли лідер досягає землі, то в каналі, що утворився, відбувається основний розряд, який ми бачимо у вигляді блискавки, швидкість основного розряду досягає до 150000 км/c. Така блискавка називається лінійною.

Розряд може відбуватися не лише між хмарою і землею, а й між двома хмарами, що мають різні заряди. Тривалість розряду блискавки становить кілька десятих часток секунди, а іноді може досягати 1…2с. Напруга блискавки може перевищувати 50 МВ, а струм досягати 5…100 кА.

Проте кількість електрики (сумарний заряд) окремої блискавки невелика – 20…100 Кл. Енергії однієї блискавки вистачило б на живлення лампи розжарення потужністю 100 Вт протягом однієї доби. Лінійна блискавка може мати довжину від сотень метрів до 2…3 км,а іноді навіть більше ніж 10 км.

Під час розряду температура каналу досягає 20000°С. Повітря при цьому швидко нагрівається і вибухає. Цей процес супроводжується яскравим світінням і громом. Після розряду повітря швидко охолоджується і звужується, тому грім триває і після розряду блискавки.

Залежність U = f(t) розряду блискавки (рисунок 9.2) має форму аперіодичного імпульсу або хвилі перенапруги.

За час t₁ (мікросекунди) напруга швидко зростає до U_max (мільйони В) – амплітуда перенапруги, а потім затухає.

Рисунок 9.2 – Форма імпульсної хвилі атмосферної перенапруги та її характеристики

Час t₁ (коли напруга блискавки зростає від “0” до амплітудного значення) називається фронтом хвилі (t₁ = 1,2 мкс).

Час t₂ (від початку процесу до зниження напруги до U = 0,5U_max) називається довжиною хвилі (t₂ = 50 мкс).

За грозовою інтенсивністю розрізняють райониіз сильною грозовою активністю (понад 40грозових годин на рік) та райони із слабкою грозовою активністю (менше 40 грозових годин на рік). Більшість областей України відноситься до зони із сильною грозовою активністю (60…80 годин на рік). А в ряді регіонів на сході України грозова активність становить 80-100годин на рік.

Розряд блискавки супроводжується електромагнітними, тепловими та механічними впливами на різні об’єкти.

Перенапруга в електроустановках може викликати пошкодження ізоляції і призвести до пошкодження апаратури, і як наслідок – до виникнення аварії. При прямому ударі блискавки в опору електропередачі струм блискавки, що проходить по волокнах дерева, спричиняє миттєве вибухоподібне випарювання вологи в деревині, яке розщеплює деревину. При ударі блискавки в металеві частини може виплавитись метал, а при попаданні блискавки в кам’яні та цегляні будівлі внаслідок дії електростатичних сил споруди можуть зруйнуватись.

При ударі блискавки поряд із проводами ліній електропередачі, електростатичні та електромагнітні поля основного розряду блискавки можуть викликати індуковану напругу в проводах електромережі, ця напруга вища за номінальну, що веде до пошкодження ізоляції.

Імпульси індукованої (наведеної) атмосферної перенапруги дуже швидко (зі швидкістю до 300 000 км/с) поширюються лініями електропередачі, проходячи великі відстані.

Наближено можна вважати, що при ударі блискавки із струмом
І_бл=100 кА на відстані 50 м від лінії, амплітуда перенапруги на проводах, що знаходяться на відстані 10 м від землі буде становити 600 кВ.

Електрична стійкість ізоляції залежить від тривалості дії перенапруги. Рівень ізоляції повітряних ліній вищий від рівня ізоляції трансформаторів, електричних машин, тощо. Тому ізоляцію трансформаторів та апаратури підстанцій треба обов’язково захищати від імпульсів перенапруги, що набігають.

Розглянемо переміщення хвилі перенапруги проводами лінії електропередачі, яка має тільки індуктивний та ємнісний опір (рисунок 9.3). При цьому хвиля має прямокутну форму (фронт хвилі t₁ = 0, довжина хвилі t₂ = ¥). В цьому ідеальному випадку швидкість переміщення хвилі проводами без активного опору буде дорівнювати:

, (9.1)

де L₀, C₀ – питомі значення індуктивності та ємності 1 км лінії.

Рисунок 9.3 – Переміщення хвилі перенапруги проводами ЛЕП

Швидкість поширення хвилі перенапруги в повітряних лініях близька до 300 000 км/с; в кабельних мережах – 150 000…160 000 км/с.

Хвиля перенапруги, що переміщується проводами, супроводжується такою ж за формою хвилею струму. В кожну мить ці дві хвилі зв’язані між собою значенням хвильового опору:

.(9.2)

;(9.3)

Хвильовий опір Z_хв залежить від матеріалу та перерізу проводів, а також від класу напруги і не залежить від довжини лінії.

Для повітряних ліній Z_хв = 400 Ом, для кабельних – Z_хв = 3¸40 Ом.

При переході через т. А її електромагнітне поле змінюється. Частина енергії повертається знову до лінії із опором Z_хв1, а частина проникає до лінії із опором Z_хв2. Таким чином спадаюча хвиля розділяється на дві хвилі – заломлену , яка переміщується в тому ж напрямку та відбиту , яка переміщується в зворотному напрямку.

Для точки А можна записати:

, (9.4)

. (9.5)

Крім цього, для всіх трьох хвиль вірним є наступне:

; ; ; (9.6)

Знак “–“ у відбитої хвилі вказує на те, що при однаковому напрямку електричного поля відбитої та падаючої хвиль, їх магнітне поле має протилежні знаки, бо вони переміщуються в протилежних напрямках.

. (9.7)

Після підсумовування (9.7) та (9.4) одержимо:

, (9.8)

або

, (9.9)

де a – коефіцієнт заломлення.

Підставивши в рівняння (9.4), матимемо:

(9.10)

де b - коефіцієнт відбиття.

Розглянемо два крайні випадки:

1) Повітряна лінія на кінці закорочена, тобто Z_хв2 = 0 ; тоді a = 0; b = 1 і хвиля відбивається повністю, змінюючи при цьому знак. Заломлена хвиля відсутня. Тому нові лінії без напруги закорочують.

2) Лінія на кінці розімкнута, Z_хв2 = ¥, тоді a = 2; b = 1, тоді , тобто, напруга на кінці лінії подвоюється. А так як в кінці лінії може бути встановлено трансформатор, то необхідно враховувати можливість збільшення в 2 рази хвилі перенапруги і забезпечити захист трансформатора.

В лініях із імпульсом звичайної форми і при наявності активного опору та особливо активних втрат енергії на “корону”, a і b будуть нижчими.

Ми розглянули випадок для однієї вузлової точки, в якій міняється хвильовий опір. Якщо таких вузлів багато, то і зміни хвиль перенапруги будуть результуючими.