Индуктированные перенапряжения на линиях электропередачи

При ударах молнии в землю у поверхности земли создается значительнаянапряженность электрического поля, под действием которой на линии образуется индуктированное напряжение. В соответствии с двумя составляющими и это напряжение также можно разделить на две составляющие — электрическую u_Э и магнитную u_м. Механизм образования этих составляющих и их приближенная оценка могут быть в упрощенной форме представлены на основании рис. 10.12.

Когда заряды лидерного канала (большей частью отрицательные) опускаются по направлению к земле, на проводе появляются связанные (положительные) заряды. Благодаря малой скорости развития лидера свободные (отрицательные) заряды растекаются по проводу, уходя из зоны влияния лидерного канала. Поле связанных зарядов провода уравновешивается полем лидера, потенциал провода на этой стадии равен нулю (напряжение промышленной частоты не учитывается).

Рис. 10.12 – К оценке индуктированных перенапряжений.

После того как начинается стадия главного разряда, поле канала нейтрализуется и связанные заряды освобождаются, обусловливая повышение потенциала провода, —это и есть электрическая составляющая индуктированного перенапряжения. Если бы нейтрализация зарядов канала происходила мгновенно, то максимальное значение напряжения в точке провода, расположенной на кратчайшем расстоянии от места удара, было бы равно:

(10.22)

где σ — линейная плотность зарядов канала; k — коэффициент пропорциональности, В действительности нейтрализация зарядов происходит со скоростью v (скорость главного разряда) и заряды, освобождаясь постепенно, растекаются по проводу. Чем меньше скорость главного разряда, тем медленнее идет освобождение зарядов и тем меньше электрическая составляющая индуктированного напряжения. Учитывая эту особенность введением в (8.20) коэффициента f(v), а также используя соотношение i_M≈σv, получаем

(10.23)

Коэффициент k_Э(v) = kf(v)/v падает с увеличением скорости v.

Под действием магнитного поля главного разряда в петле провод—земля наводится напряжение u_И._M. максимальное значение которого возрастает с уве­личением максимального значения тока и скорости его нарастания:

(10.24)

где k_М(v) — коэффициент, возрастающий с увеличением скорости главного разряда. Полное максимальное значение индуктированного напряжения равно:

(10.25)

Суммарный коэффициент k_И = k_Э(v) + k_М(v) мало зависит от скорости, по­скольку обе его составляющие меняются в противоположных направлениях, и может быть принят, как показывают теоретические расчеты, k_И≈30 Ом. Тогда

(10.26)

Оценим число случаев возникновения индуктированных перенапряжений с различными максимальными значениями. Для этого рассмотрим узкую полоску земли шириной db, отстоящую от оси линии на расстоянии b. При длине линии 100 км общее число ударов в эту полоску в год равно 0,067∙100db. Для того чтобы при ударе молнии в эту полоску индуктированное напряжение превысило заданное значение U_инд, максимальное значение тока молнии должно быть

(10.27)

Вероятность таких токов на основании (10.2) равна:

(10.28)

и, следовательно, число ударов молнии в полоску db, приводящих к появлению на линии напряжения U>U_инд равно:

(10.29)

Так как линия принимает на себя удары молнии с полосы земли шириной 6h_cp. удар молнии в землю может произойти на расстоянии не меньше 3h_ср от линии. Для определения полного числа случаев появления на линии индуктированных перенапряжений с максимальным значением, превышающим U_инд, необходимо проинтегрировать dN в пределах 3h_ср — ∞, учтя при этом, что удары молнии могут происходить по обе стороны от линии:

(10.30)

где U_инд, кВ, a h_ср, м.

Для частного случая п = 30 и h_cp = 10 м на рис. 10.13 построена кривая, показывающая число случаев возникновения перенапряжений с различными максимальными значениями. Как видно, индуктированные перенапряжения могут превышать импульсную прочность изоляции линий 35 кВ (U_50%≈350 кВ) менее 2 раз в год, а импульсную прочность изоляции линий 110 кВ (U_50%≈700 кВ) всего 1 раз за 5 лет. Вероятность перекрытия изоляции при прямых ударах гораздо больше. Поэтому рассмотренный вид индуктированных перенапряжений не играет существенной роли для линий 110 кВ и выше. Индуктированные перенапряжения возникают и при ударе молнии в трос или опору и, накладываясь на перенапряжения прямого удара, увеличивают разность потенциалов на изоляции. Их надо учитывать при больших токах молнии в тех случаях, когда удар молнии происходит поблизости от изоляции, которая может перекрыться.

Рис. 10.13 – Число случаев в год возникновения индуктированных перена­пряжений с различным максимальным значением на линии без тросов со средней высотой подвески проводов 10 м. Число грозовых часов в году п = 30