1.3 Оценка амплитуды напряжения, действующего на гирлянду изоляторов при ударе молнии в провод
Молния поражает не защищенный тросом провод линии. Определить амплитуду напряжения, действующего на гирлянду изоляторов опоры, ближайшей к месту удара молнии. Волновое сопротивление канала молнии 250 Ом, волновое сопротивление провода с учётом импульсной короны 270 Ом. Статический ток молнии 90 кА.
Считая, что при ударе в провод действительный ток вдвое меньше статического, а эквивалентное волновое сопротивление двух проводов вдвое меньше сопротивления одного провода, определим амплитуду волны перенапряжения, распространяющейся по проводу в обе стороны и достигающей гирлянды:
(1.11)
где - статический ток молнии, кА; - волновое сопротивление провода с учё-
том импульсной короны, Ом.
Практически тот же результат можно получить, используя схему замещения по Петерсену, содержащую волновое сопротивление канала молнии и эквивалентное сопротивление двух лучей провода:
(1.12)
где -волновое сопротивление молнии, Ом;-напряжение падающей волны, кВ.
1.4 Определение величины и кратности индуктированного перенапряжения на проводах линии
Грозовой разряд произошел в столб телеграфной линии, расположенный на удалении 80 м от ЛЭП напряжением 110 кВ. Величина тока 290 кА. Определить величину индуктированного перенапряжения на проводах линии и кратность этого же перенаряжения, если высота подвеса проводов на опорах 16 м, а стрела провеса 5,5 м.
Определяется средняя высота подвеса проводов:
(1.13)
где - высота подвеса проводов на опорах, м; - стрела провеса проводов, м.
Определяется величина индуктированных напряжений:
(1.14)
где - средняя высота подвеса проводов, м; S – удаление столба телеграфной линии от ЛЭП, м.
Так как индуктированное напряжение можно принять одинаковым для всех трёх проводов и учитывая, что оно действует на фазную изоляцию линии, определим кратность перенапряжения по отношению к фазному напряжению:
(1.15)
где - величина индуктированных напряжений, кВ; - напряжение линии, кВ.
2. РАСЧЁТ ЗАЗЕМЛЯЮЩИХ УСТРОЙСТВ
2.1 Параметры одиночных стержневых заземлителей
Основу заземляющего устройства составляют заземлители, т.е. металлические элементы, находящиеся непосредственно в грунте, и заземляющие провода (спуски), доступные для осмотра. Основными характеристиками заземляющего устройства является сопротивление растеканию тока промышленной частоты и сопротивление растеканию импульсных токов грозового разряда. Величина нормированного сопротивления растеканию тока промышленной частоты находится в пределах 0,5-25 Ом. Исследования показывают, что характер распределения тока в почве зависит от его частоты, удельного сопротивления грунта, линейных размеров и взаимного расположения заземлителей. При расчётах заземления используют формулы, определяющие величину сопротивления растеканию тока применительно к заданной форме заземлителя.
Электрический ток, растекаясь в почве в момент поражения установки грозовым разрядом при пробое изоляции токоведущих частей, создаёт вдоль своего пути падение напряжения, которому соответствуют определённые потенциалы на поверхности земли. При этом точки поверхности, расположенные на расстоянии 20 м и более от зпземлителя или места замыкания на землю, практически имеют нулевой потенциал.
Наивысшим или полным потенциалом будут обладать все точки, имеющие металлическую связь с заземлителем. Отношение полного потенциала к величине тока, протекающего через заземлитель, определяет собой сопротивление растекания тока данного заземления:
(2.1)
где - полный потенциал, кВ; - ток в заземлителе, кА.
Полный потенциал и характеристика распределения напряжения по радиусу от оси заземлителя определяют собой важные величины с точки зрения безопасности обслуживающего персонала:
- шаговое напряжение, под которым подразумевают ту наибольшую разность потенциалов, которую имеют ступни человека, оказавшегося на расстоянии 0,8 м друг от друга по радиусу от центра заземлителя;
- напряжение прикосновения, т.е. наибольшее напряжение между поверхностью заземлённого аппарата (к которому в момент разряда может прикасаться человек) и и точками поверхности земли на расстоянии 0,8 м.
Расчёт заземляющего устройства носит поверочный характер в том случае, когда схема заземления задана или носит чисто расчётный характер, когда по заданной величине нормированного сопротивления создаётся его схема. Во всех случаях при расчёте необходимой величиной является удельное сопротивление грунта, причём наиболее желательными являются результаты непосредственных измерений. Величины удельных сопротивлений подвержены сезонным изменениям, причём наибольшее влияние оказывают влажность, температура, степень промерзания, наличие солей.
Чем глубже расположен заземлитель, тем стабильнее оказывается сопротивление грунта и лучше условия для растекания тока, поэтому заземлители располагают так, чтобы верхняя кромка вертикальных заземлителей или уровень горизонтальных находились на глубине 0,5-1,0 м от поверхности, а ниже – от 3 до 20 м. Чтобы исключить вероятность повышения удельного сопротивления, в расчётах используется удельное сопротивление, полученное непосредственным измерением на данном участке, умноженное на коэффициент сезонности, учитывающий возможность высыхания грунта:
(2.2)
где - удельное сопротивление грунта, полученное непосредственным измерением на данном участке, Ом·см; - коэффициент сезонности, учитывающий возможность высыхания грунта.
Приближённое значение коэффициента сезонности принимается 1,4-1,8 для горизонтальных заземлителей, уложенных на глубине 0,5 м, и 1,2-1,4 для вертикальных заземлителей длиной 2-3 м, причём, если во время измерения удельного сопротивления земля сухая, то принимается меньшее значение, а если почва влажная – большая величина.
2.2 Определение сопротивления заземления в импульсном режиме
Горизонтальный четырёхлучевой заземлитель, предназначенный для заземления трубчатого разрядника на подходе к распределительной подстанции, выполнен из стального прута диаметром 1 см. Длина каждого луча 6 м, глубина заложения 0,5 м. Определить сопротивление заземления в импульсном режиме, если удельное сопротивление грунта, измеренное в сухую погоду, оказалось 9000 Ом∙см. Ток молнии 75 кА. Коэффициент возможного увеличения сопротивления принят в соответствии с руководящими указаниями равным 1,4. Ввод тока в заземлитель осуществляется в центральную часть.
Расчёт производится в рекомендованной последовательности. В соответствии с (2.2) определяется расчётная величина удельного сопротивления грунта:
Определяется сопротивление каждого луча заземлителя:
(2.3)
где - расчётная величина удельного сопротивления грунта; l – длина луча, см.
По заданной величине импульсного тока определяется ток, стекающий с каждого луча:
(2.4)
Для заданного тока и по величине расчётного удельного сопротивления примем значение импульсного коэффициента α = 0,32, найденного путём интерполяции. Определяется импульсное сопротивление каждого луча:
(2.5)
где - сопротивление каждого луча заземлителя, Ом.
Принимается коэффициент использования η = 0,45 и определяется общее импульсное сопротивление всего заземлителя:
(2.6)
где - импульсное сопротивление каждого луча, Ом.
3. РАСЧЕТ ВОЗДУШНЫХ ЛИНИЙ НА ГРОЗОУПОРНОСТЬ
3.1 Влияние тросов на величины индуктивных напряжений
При наличии тросов, защищающих провода от прямого поражения молнией, расчёт величины индуктированных напряжений усложняется. Благодаря экранирующему действию троса величина индуктированного напряжения на проводах снижается примерно на 25% по отношению к индуктированному напряжению в линии без тросов. Экранирующее действие троса определяется взаимным расположением проводов и тросов и учитывается ведением в расчёт геометрического коэффициента связи k0. При наличии троса разряд в вершину опоры или тросовый пролёт сопровождается протеканием разрядного тока по тросу. Возникающая при этом импульсная корона значительно увеличивает геометрический коэффициент связи, что в расчётах учитывается введением поправочного коэффициента k1.
При разряде молнии в опору, имеющую один трос, поправочный коэффициент на корону при напряжениях 35, 110 и 220 кВ принимают 1,2, 1,3 и 1,4 при наличии двух тросов и разряде в вершину опоры – 1,1, 1,2 и 1,3. При разряде молнии в середину тросового пролёта поправочный коэффициент k1 может быть принят 1,5, независимо от числа тросов. Таким образом, величина индуктированного напряжения при наличии тросов определяется зависимостью:
(3.1)
При этих условиях казалось бы, напряжение, действующее на изоляцию, должно выражаться зависимостью:
(3.2)
но это не так.
При ударе молнии в опору с тросом, ток молнии растекается по трём ветвям: по самой опоре и по тросам в обе стороны к заземлениям ближайших опор. Ток, протекающий к тросу, индуктирует в проводе потенциал того же знака, что и потенциал прямого разряда, что снижает напряжение на изоляции и учитывается введением отрицательной составляющей .
Таким образом, расчётное напряжение, действующее на изоляцию, соответствует зависимости:
(3.3)
или окончательно после упрощения:
(3.4)
3.2 Расчет удельного числа отключений линии
Опыт показывает, что как ни совершенна тросовая защита воздушных линий, через неё наблюдается прорыв молнии. Кроме того, при прямом ударе молнии в середину тросового пролёта или в вершину опоры может произойти перекрытие изоляции как самих гирлянд, так и воздушного промежутка между проводом и тросом. В результате указанных явлений линия, естественно, будет отключена защитой. Число таких отключений, приходящихся в год на 100 км линии и 30 грозовых часов, характеризуется удельгным числом отключений, которое обычно бывает равным величине от 0,1 до 1,5.
Число отключений линии кроме качества самой линии зависит от интенсивности грозовой деятельности в данной местности. Среднее число поражений поверхности земли в 1 км2, отнесенное к одному грозовому часу, близко к 0,06. Площадь, с которой линия собирает разряды, может быть представлена прямоугольником, одна сторона которого 100 км, а другая зависит от высоты тросов
или проводов и принимается равной 10. Таким образом, при 30 ч грозы в год линия получает N ударов молнии:
