_Полный курс ТВН (1). Конспект лекций по дисциплине " техника высоких напряжений" специальность 10. 02. 00 Электроэнергетические системы и сети
 Скачать 1.34 Mb.
|
|
Лекция 12. 6. ГРОЗОВЫЕ (АТМОСФЕРНЫЕ) ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЯ 6.1.Интенсивность грозовой деятельности Интенсивность грозовой деятельности на территории России и других стран мира может быть самой различной. Как правило, количество гроз в течение года минимально в северных районах и постепенно увеличивается к югу, где повышенная влажность воздуха и высокая температура способствуют образованию грозовых облаков. Однако эта тенденция не всегда соблюдается, существуют очаги интенсивной грозовой деятельности в средних широтах , где создаются благоприятные условия для формирования местных гроз. Интенсивность грозовой деятельности принято характеризовать числом грозовых дней в году nД или общей годовой продолжительностью гроз в часах nЧ. Средняя продолжительность грозы 1,5ч, поэтому между этими характеристиками существует приближенная связь nЧ  1,5nД. Число грозовых дней или часов в году определяется по данным метеорологических станций размещенных на территории России. Систематизация многолетних данных этих станций позволила длянекоторых районов России составить карты грозовой деятельности, на которых наносятся линии равной продолжительности гроз. Продолжительность гроз в течение года определяет количество разрядов молнии в единицу поверхности земли. По имеющимся данным в районах, с 20 грозовыми днями в году 1 км2 поверхности земли поражается разрядами молнии в среднем 2—3 раза в год, или около 0,1 - 0,15 раза за 1 грозовой день. Эти данные позволяют оценить частоту поражения молнией различных объектов. Например, в следующем разделе будет показано, что вертикальный металлический стержень высотой h принимает на себя все разряды молнии, которые должны были бы поразить поверхности земли, находящуюся внутри круга, радиусом 3,0—3,5 h. При h=30м защищаемая площадь равна около 35000 м2или 0,035км2и в районе с 20 грозовыми днями в году этот объект будет поражаться молнией приблизительно 1 раз в 15 лет. 6.2.Защита от прямых ударов молнии с помощью молниеотводов Молниеотводы как средство защиты от прямых ударов молнии при- менялись задолго до начала нашей эры, но получили всеобщее признание только в середине XVIII в. в результате работ Франклина и Ломоносова. Каждый молниеотвод состоит из молниеприемника, возвышающегося над защищаемым объектом, заземлителя и токоотводящих спусков, соединяющих молниеприемник с заземлителем. По типу молниеприемников различают стержневые и тросовые молниеотводы. Хорошее заземление молниеотвода является необходимым условием надежной защиты, так как при ударе молнии в плохо заземленный молниеотвод на нем образуется весьма высокое напряжение, способное вызвать пробой с молниеотвода на защищаемый объект. В начале широкого применения молниеотводов (XVIII в.), когда на величину сопротивления заземления не обращали серьезного внимания, нередки были случаи пожаров, вызванных разрядами молнии в молниеотводы, которые в таких случаях могут играть даже вредную роль. Не меньшее значение имеет осуществление надежных электрических соединений между всеми частями молниеотвода, так как при прохождении тока молнии в местах плохих контактов возникает интенсивное искрение, которое также может привести к пожару. Защитное действие молниеотводов основано на том, что заряды, скапливающиеся на его вершине в лидерной стадии разряда молнии, создают наибольшие напряженности поля на пути между головкой лидера и вершиной молниеотвода, куда и направляется разряд. Высота над поверхностью земли, при которой лидерный разряд окончательно ориентируется на один из земных объектов, называется «высотой ориентировки молнии» (H), которая в первую очередь зависит от высоты молниеотвода h. Принято считать, что для молниеотводов высотой до 30 м Н = kh, причем коэффициент пропорциональности k имеет порядок 10—20. 6.2.1. Зоны защиты стержневых молниеотводов Зона защиты одиночного стержневого молниеотвода высотой до 30 м (рис.22) представляет собой пространство, ограниченное поверхностью вращения с образующей, которая может быть найдена по формуле  (24) Рис.22. Зона защиты стержневого молниеотвода где h — высота молниеотвода; rX — радиус зоны защиты на высоте hX; hX — рассматриваемый уровень над поверхностью земли (или высота защищаемого объекта); h-hX=ha— превышение высоты молниеотвода над рассматриваемым уровнем (или над высотой защищаемого объекта), называемое активной высотой молниеотвода. Чтобы быть защищенным от прямых ударов молнии, объект полностью должен находиться внутри конусообразного пространства, которое представляет собой зона защиты молниеотвода. Поскольку при экспериментальном определении зон защиты допускается ряд условностей, то нет необходимости пользоваться точными очертаниями зон защиты, особенно усложненными в случае защиты двумя молниеотводами. Можно пользоваться упрощенным построением, показанным на рис.23. Образующая поверхности, ограничивающей зону защиты, может быть представлена ломаной линией. Один из отрезков этой ломаной abявляется частью прямой, соединяющей вершину молниеотвода с точкой на поверхности земли, удаленной на 0,75 hот оси молниеотвода, а другой отрезок (bc) представляет собой часть прямой, соединяющей точку молниеотвода на высоте 0,8 h с точкой на поверхности земли, удаленной от молниеотвода на 1,5 h. Из рис. 23 видно, что точка b находится на высоте  h. Легко показать, что радиус защиты на уровне hX<h равен:  (25)Радиус защиты на уровне hX> h  (26)Эффективность молниеотводов высотой больше 30 м снижается, так как при этом высота ориентировки молнии принимается постоянной. Для определения радиуса зоны защиты молниеотвода высотой h > 30 м значения, полученные по (25) и (26), нужно умножить на коэффициент  . Построение зоны защиты производится аналогично тому, как это показано на рис.23, но прямые аа' и cc'проводятся через точки, лежащие на поверхности земли на расстояниях соответственно 0,75hр и 1,5hрот оси молниеотвода.Зона защиты между двумя стержневыми молниеотводами имеет значительно большие размеры, чем сумма зон защиты двух  Рис.23. Построение зоны защиты стержневого молниеотвода. 1-упрощенное построение; 2 —зона защиты, построенная по (24).  Рис.24 Зона защиты двух стержневых молниеотводов. одиночных молниеотводов. Выше отмечалось, что радиус зоны 100%-ного попадания в молниеотвод составляет R=3,5h. Очевидно, если два молниеотвода находятся на расстоянии а=2R=7h, то точка земной поверхности, лежащая посредине между молниеотводами, не будет поражаться молнией. Если нужно защитить точку, находящуюся посредине между молниеотводами на высоте h0, то расстояние между молниеотводами высотой hдолжно составлять а  7(h—h0), т. е. не меньше семикратной активной высоты молниеотводов. Или, если известны высота и расстояние между молниеотводами, высота защищенной точки посредине между молниеотводами находится как  (26)Внутренняя часть зоны защиты двух стержневых молниеотводов (рис.24) в плоскости, проходящей через оба молниеотвода, ограничивается дугой окружности, которую можно построить по трем точкам: две из них — вершины молниеотводов, а третья расположена посредине между молниеотводами на высоте h0.Сечение зоны защиты в перпендикулярной плоскости строится аналогично тому, как определяются образующие зоны защиты одиночного молниеотвода (сечение по 0—0на рис. 24.) Внешняя часть зоны защиты для стержневых молниеотводов определяется так же, как и для одиночных молниеотводов. Лекция 13. 6.2.2.3оны защиты тросовых молниеотводов Зона защиты тросового молниеотвода показана на рис. 25. Сечение зоны защиты в плоскости, перпендикулярной тросу, строится так же, как и для стержневого молниеотвода, с той лишь разницей, что ширина зоны на уровне земли для тросового молниеотвода, подвешенного на высоте h 30 м, равна 1,2h. Половина ширины зоны защиты на уровне hX>h определяется как (27)На уровне hX< h половина ширины зоны защиты составляет: (28)Выше отмечалось, что в опытах на модели при удалении высоковольтного электрода на расстояние В = 2h все разряды поражают трос. Очевидно, если использовать в качестве молниеотводов два троса, то при расстоянии между ними s=4h точка, расположенная на поверхно-  Рис.25 Зона защиты тросового молниеотвода.  Рис.26 Зона защиты двух тросов. сти земли посредине между тросами, не будет поражаться молнией. Если расстояние между двумя тросами s<4h, то будет защищена от поражений точка, расположенная посредине между тросами на уровне h0=h-  (29)Внешняя часть зоны защиты двух тросовых молниеотводов определяется так же, как и для одиночного троса. Внутренняя часть ограничена поверхностью, которая в сечении плоскостью, перпендикулярной тросам, дает дугу окружности. Эта дуга окружности может быть построена по трем точкам: одна из них h0, а две другие — тросы (рис. 26). В электрических установках тросы используются в основном для защиты проводов линий электропередач. Средняя высота подвески проводов (hX)составляет больше высоты подвески тросов (h), обычно  составляет около 0,8. В связи с этим пользуются не зонами защиты, а так называемыми углами защиты, т. е. углами между вертикальной линией и линией, соединяющей провод и трос на плоскости, перпендикулярной к оси провода (рис. 27). Рис.27 Угол защиты  и зона зашиты тросов на линии электропередачи.6.2.3. Рекомендуемые способы грозозащиты линий различного номинального напряжения 1. Линии напряжением 220 кв ивыше в подавляющем большинстве случаев сооружаются на металлических опорах и должны защищаться тросами по всей длине. На одноцепных опорах портального типа или типа «рюмка» подвешиваются два троса, благодаря чему защитные углы без всякого труда могут быть снижены до 20—25°. Такие линии при сопротивлении заземления 10 ом имеют удельное число отключений порядка 0,06. Уменьшение сопротивления заземления опор до 5 ом позволяет снизить удельное число отключений приблизительно в 1,5 раза. В последнее время широкое распространение стали получать двухцепные линии на высоких опорах (40—45 м), снабженные одним тросом, обеспечивающим защитный угол порядка 30—32°. Вследствие значительно большей высоты эти линии обладают гораздо более низкой грозоупорностью. Например, линия 220 кв на двухцепных опорах имеет удельное число отключений 1,0—1,2 при сопротивлении заземления опоры R=10 ом, которое снижается всего на 30—40% при уменьшении сопротивления до 5 ом. 2. Линии 110 кв на металлических опорах также рекомендуется защищать тросами по всей длине. При сопротивлении заземления 10 ом удельное число отключений одноцепных линий составляет 0,2— 0,3, а двухцепных — 0,6—0,8. Линии 110 квна деревянных опорах никакой дополнительной грозозащиты не требуют, за исключением подвески тросов на подходах к подстанциям и установки трубчатых разрядников. 3. Линии 35 квна деревянных шторах, так же как и линии 110 кв, не требуют дополнительных мер грозозащиты. Благодаря меньшим значениям рабочих градиентоввдоль пути перекрытия эти линии имеют даже несколько более высокие показатели, чем линии 110 квна деревянных опорах. Защита трубчатыми разрядниками мест с ослабленной изоляцией для этих линий также полезна, но менее обязательна, чем для линий 110 кв. Линии 35 квна металлических опорах обычно также не защищаются тросами, особенно, если эти линии работают в системе с изолированной нейтралью и дугогасящими аппаратами. В этом случае однофазные замыкания на землю автоматически ликвидируются и не приводят к отключению линии. Двухфазные замыкания, которые определяют число отключений линии, происходят практически так же редко, как и однофазные замыкания в линиях с тросами, применение которых, таким образом, оказывается мало целесообразным. 4. Линии 3—10 кв, как правило, выполняются на деревянных опорах. Эти линии также не требуют особых мероприятий по грозозащите, за исключением установки разрядников в местах с ослабленной изоляцией (например, на отдельных металлических или железобетонных опорах) и на подходах к подстанциям. 6.2.4.Грозозащита подстанций Подстанции должны защищаться как от прямых ударов молнии, так и от напряжения, набегающих с линии. Защита от прямых ударов осуществляется в большинстве случаев стержневыми, реже тросовыми молниеотводами. Волны на линиях возникают за счет индуктированных перенапряжений, при ударах молнии в провода и, наконец, за счет обратного перекрытия на провод с пораженного прямим ударом молнии троса или опоры. Основным аппаратом грозозащиты подстанций является вентильный разрядник, у которого разрядное напряжение искрового промежутка и остающееся напряжение при токе (5-10ка) лежит примерно на 10% ниже гарантированной прочности защищаемой изоляции при полной волне. Принципиальные схемы грозозащиты подстанций приведены на рис28. Схема а относится к случаю, когда подходящая к подстанции линия выполнена на деревянных опорах без троса, который подвешивается только в пределах защитного подхода (1—2 км). Таккак на деревянных опорах спуски от тросов к заземлителям располагаются на стойках, прочность изоляции относительно  Рис.28 Принципиальные схемы грозозащиты подстанций. а — линия на деревянных опорах с защитным подходом; б — линия с тросом по всей длине. земли опоры с тросами существенно снижается. 6.2.5. Грозозащита генераторов соединенных непосредственно с воздушными линиями Грозозащита генераторов, соединенных непосредственно с воздушными линиями, может быть в принципе осуществлена теми же средствами, что и грозозащита подстанций, т. е. на шинах генераторного напряжения устанавливается вентильный разрядник, на линии выделяется подход, в начале которого устанавливается трубчатый разрядник. Однако при этом в схемах грозозащиты вращающихся машин имеются следующие особенности: а) На шинах должен устанавливаться вентильный разрядник специального типа, обязательно с магнитным гашением дуги. б) Так как подход линии к станции проходит обычно по застроенной местности, обеспечивается его естественная экранировка от прямых ударов молнии. Поэтому защита подхода в большинстве случаев не предусматривается. В тех случаях, когда линия проходит по открытой местности, подход должен быть защищен стержневыми или тросовыми молниеотводами. в) Помимо вентильного разрядника на шинах станции устанавливаются конденсаторы емкостью порядка 0,5 мкф на фазу, предназначенные для ограничения крутизны напряжения на зажимах генератора. Принципиальная схема защиты генератора, присоединенного непосредственно к воздушной линии, показана на рис.29.  Рис.29 Схема защиты с воздушным подходом. Контрольные вопросы
|