лекция. Пята я типовые схемы сетей электроснабжения и размещение в них защитных устройств
 Скачать 7.85 Mb.
|
|
Рис. 1.5. Результаты измерений вертикальной составляющей напряженности электрического и горизонтальной составляющей напряженности магнитного полей: а – на расстоянии 5 км от места удара; б – на расстоянии 50 км от места удара и горизонтальная составляющая магнит ного поля становятся взаимосвязанными через волновое сопротивление вакуума, рав ное Ом. Максимальная крутизна первого фронта кривой напряженности электриче ского поля является очень важной вели чиной. Эта величина пропорциональна наибольшей крутизне фронта тока молнии : , где - скорость фронта волны тока молнии, с. Крутизна тока молнии согласно послед ним измерениям может доходить до 300 кА/мкс. В наиболее известных доку ментах СИГРЭ и МЭК, посвященных этому вопросу, приводятся значения кру тизны фронта тока на уровне 200 кА/мкс с вероятностью того, что эта крутизна будет превышена не менее чем на 0,01. Рассчитанные максимальные крутизны первого фронта кривой электрического поля молнии во время разряда могут удер живаться в течение нескольких сотен нано секунд. Токи разрядов между облаками вызы вают появление значительно более слабых электромагнитных полей по сравнению с токами разрядов в землю. Так, напряжен ность электромагнитного поля вблизи раз ряда между облаками сопоставима с напряженностью поля основного разряда. В связи с этим разряды между облаками представляют интерес только для аэрона вигации. Оказалось, что при протекании обрат ного тока молнии и токов разряда между облаками, при рекомбинации зарядов и раз витии лидера генерируются электромаг нитные поля в диапазоне очень высоких (ОВЧ) или ультравысоких (УВЧ) частот. На рис. 1.6 приведена кривая Пирса, представляющая собой кривую напряжен ность электрического поля тока молнии Рис. 1.6. Усредненный спектр амплитудных значений напряженности электрического поля, образующегося при разряде молнии на расстоянии 10 км (кривая Пирса) по данным исследований различных авторов (измеренную с учетом всех вышеупомяну тых составляющих) в диапазонах частот от 1 кГц до 1 МГц при обратном разряде и от десятков мегагерц до гигагерц при реком бинации зарядов либо развитии стреловид ного лидера. 1.2.2. Прямые удары молнии в линии электропередачи и в другие элементы электроустановок Прямое попадание молнии в линию электропередачи. Результатом такого воз действия является бегущая волна, распро страняющаяся вдоль линии электропере дачи. При прямом попадании молнии в фаз ный провод вид фронта и спада импульса напряжения зависит от формы тока мол нии. Длительность фронта импульса может составлять доли микросекунд, а его кру тизна достигать 50 МВ/мкс. Крутизну импульса напряжений можно рассчитать по следующей формуле: , где - волновое сопротивление линии электропередачи. Импульс напряжения имеет длительность (время до момента уменьшения импульса до половины его амплитуды) порядка несколь ких десятков микросекунд. В случае обратного перекрытия — с опоры или заземленного троса на фазный провод — длительность фронта импульса напряжения составляет порядка нескольких десятков наносекунд (до нескольких сотен наносекунд при большой длине проме жутка), а длительность импульса меньше, чем в случае прямого попадания молнии в фазный провод, и составляет от 5 до 15 мкс. В обоих случаях наклон импульса сглаживается в той части фронта импульса, где напряжение превышает начальное напряжение возникновения импульсной короны ,что приводит к уменьшению крутизны фронта импульса при прохожде нии ею некоторого расстояния . Для инженерного расчета крутизны фронта бегущего импульса на расстоя нии от места удара молнии используют следующую формулу: , где - крутизна фронта импульса в месте удара молнии, кВ/мкс; - расстояние, м; - параметр искажения. Эффект сглаживания фронта импульса имеет огромное значение. Так, на расстоя нии около 1 км (или немного меньше) от места удара молнии вне зависимости от формы импульса в месте удара крутизна фронта импульса будет не меньше 1 МВ/мкс. Для ЭМС наиболее важным является перекрытие изоляции ВЛ. Вследствие про боя образуется резкий срез импульса напряжения (обычно на спаде) длительно стью порядка десятков или нескольких сотен наносекунд. При движении импульса вдоль ВЛ кру тизна этого среза остается практически неизменной, так как импульсная корона не оказывает на него заметного влияния. Кру тизна этого среза может уменьшаться только из-за потерь в линии. Таким образом, срезанный импульс, возникающий при перекрытии линейной изоляции, оказывает более сильное воз действие на оборудование (например, на вторичные обмотки трансформатора тока), присоединенное непосредственно к линии, чем фронт. Удары молнии на территории под станции. При расчете эффектов, обуслов ленных молнией при прямом ударе в эле менты подстанций (здания, молниезащитные тросы или заземленные токоведущие части открытой подстанции), ВЧ-излучение, создаваемое каналом молнии, обычно не учитывают. В этой ситуации основную роль играет распределение импульсных токов молнии по элементам подстанции, включая обору дование, попадающее в зону растекания -тока молнии. Можно отметить два основных механиз ма передачи помех: низкочастотный, связанный с повы шением потенциала заземлителя и напря мую связанный с амплитудой тока молнии; высокочастотный, зависящий главным образом от пространственного распо ложения элементов подстанции (и в меньшей степени связанный с их заземлением) л напрямую связанный с крутизной фронта тока молнии. На практике непосредственные попада ния молнии в элементы подстанции могут рассматриваться как квазистационарные явления. Из этого следует, что для практи ческого моделирования пригодна теория цепей, особенно в тех случаях, когда эле менты могут быть представлены в виде взаимосвязанного набора проводящих вет вей. Таким образом, с помощью классиче ской теории цепей можно оценить распре деление импульсных токов по объекту. Процессы, происходящие в модели, ана лизируются в некотором диапазоне частот, а затем с помощью принципа суперпозиции ' оцениваются результаты воздействия при различных частотах. Основные особенности разработанной модели сводятся к следующему:
На рис. 1.7 приведены результаты лабо раторных испытаний, достаточно хорошо согласующиеся с результатами расчетов. Рис 1.7. Результаты расчетов и лабораторных испытаний: а - распределение импульсных токов по ветвям 1 и 2 объекта (смоделированного сеткой из медной проволоки диаметром 1 мм с ячейками размером 500 мм), полученное при воздействии импульсного тока стандартной формы; б -измеренное (пунктир) и расчетное (сплошная линия) значение тока в одной из ветвей проволоч ной сетки, обозначенной цифрой 1 1.2.3. Воздействие электромагнитного поля молнии на линии электропередачи или сооружения Рассматриваемое воздействие имеет важное значение для распределительных линий низкого и среднего напряжения, пос кольку на таких линиях возможно возник новение пробоев изоляции, вызванных ин дуцированными грозовыми перенапряже ниями. Результатом индуцированных перена пряжений является бегущий импульс тока и напряжения, распространяющийся по пинии подобно импульсам, вызванным прямыми ударами молнии в ВЛ. Амплитуда импульса напрямую зави сит от расстояния от места удара молнии в землю до линии, возрастает при увеличе нии высоты линии и заметно уменьшается вследствие экранирования заземленными молниезащитными тросами, если они име ются. На линиях среднего и низкого напряже ния амплитуда бегущего импульса часто превышает напряжение пробоя изоляции, что вызывает ее пробой и срез импульса. В месте ВЛ, ближайшем к месту удара молнии, фронт импульса имеет такой же вид, как и при прямом ударе молнии, в то время как длительность импульса волны заметно меньше и составляет 5-10 мкс. Выводы по поводу искажения формы импульса импульсной короной и пробоями изоляции, сделанные применительно к пря мому попаданию молнии в провода ВЛ и обратным перекрытиям, одинаково приме нимы и к данному случаю. Если сооружение имеет меньшие раз меры (длину), чем ВЛ, то и запасаемая им электромагнитная энергия будет меньше. Возмущение же, переданное от сооружения к оборудованию, присоединенному или расположенному в непосредственной бли зости от сооружения, будет меньше, чем при прямом воздействии поля тока молнии. В этом случае сооружение выступает в роли экрана для излучаемого поля. 1.2.4. Стандартизированные параметры тока молнии В стандарте МЭК 61312-1 приведены нормированные параметры импульса тока молнии (рис. 1.8 и табл. 1.3-1.5). Средний ток приблизительно равен . Удары молнии в молниеприемники на территории энергообъекта, как правило, вызывают нарушения в работе автоматизи рованных систем технического управления Рис. 1.8. Форма импульса тока молнии и поражающие факторы тока молнии: - удельная энергия; - крутизна тока; - заряд; - максимальный ток Таблица 1.3. Параметры первого импульса тока молнии, развивающейся с положительно заряженного облака
Таблица 1.4. Параметры второго импульса тока молнии, развивающейся с отрицательно заряженного облака
Таблица 1.5. Параметры постоянной составляющей тока молния
электротехническими объектами: повреж дения кабелей и элементов устройств, нару шение функционирования отдельных уст ройств. Анализ таких случаев на действующих .подстанциях и электростанциях показал, что при ударах молнии в молниеприемники, расположенные вблизи кабельных каналов или лотков, происходит пробой изоля ции кабелей с земли. В результате перекры тия изоляции импульс перенапряжения рас пространяется по вторичным цепям системы (например, цепям оперативного тока), вызы вая повреждение отдельных элементов уст ройств. Амплитудно-частотные характеристики импульсных помех, возникающих в кабе лях, изменяются в широком диапазоне и зависят от параметров тока молнии, трассы и длины кабелей, нагрузки на концах кабе лей. Частотный спектр изменяется от десятков килогерц до нескольких мегагерц. Амплитуда импульсных помех может нахо диться в пределах от десятков вольт до десятков киловольт. При ударах молнии в территорию энергообъекта представляют опасность следую щие воздействия:
На рис. 1.9 дана иллюстрация воздей ствий молнии на энергообъект, а в табл. 1.6 приведены их некоторые характеристики. Непосредственное попадание молнии в оборудование высокого напряжения и зда ния исключается при правильном выборе зон защиты молниеприемников. Рис 1.9. Возможные воздействия молнии: - непосредственный удар; - удаленный разряд; - шина выравнивания потенциалов; - сопро тивление заземления (0,5-10 Ом); - пени, образованная проводами; - разряд между облаками; 1 - защищаемый объект; 2 - часть защищаемого устройства; 3 - трансформаторная подстанция; 4 - кабель линий управления, связи; 5 - кабель низкого напряжения; 6 – ВЛ Таблица 1.6. Характеристики воздействия молнии на объекты
При определении типа и мест размеще ния молниеприемников (стержневой, тросовый или сетка на здании), а также токоотводов и заземления молниеприемника необходимо рассчитывать не только зоны защиты от прямого удара молнии, но и уровни воздействий на автоматические и автоматизированные системы технологического управления электротехническими объектами. Рассмотрим ситуацию при ударе мол нии в стержневой молниеприемник, распо ложенный вблизи кабельного канала. Сопротивление растеканию импульса тока молнии (первый импульс 100 кА, 10/350 мкc) может составлять от единиц до десятков ом в зависимости от удельного сопротивления грунта. При этом потен циал молниеприемника при ударе мол нии составит от сотен киловольт до несколь ких мегавольт. Средняя напряженность про боя в грунте обычно принимается кВ/м. Исходя из этих данных минимально допустимое расстояние от молниеприем ника или от его заземляющего устройства до кабельного канала по условию пробоя в грунте составит: м. При ударе молнии в молниеприемники, расположенные ближе указанных расстоя ний до кабельных каналов, с большой вероятностью произойдет перекрытие с заземляющего устройства молниеотвода на кабели. Минимальное расстояние от токоотводов молниеприемника до места размеще ния автоматических и автоматизированных систем технологического управления элек тротехническими объектами определяется также из условия , где - ток; - допустимая напряженность импульсного магнитного поля для рассматриваемых систем. Учитывая, что автоматические и авто матизированные системы технологичес кого управления электротехническими объ ектами установлены в железобетонных зда ниях и в металлических шкафах, вводят коэффициент ослабления магнитного поля, обусловленного этими конструкциями. Для импульсных полей тока молнии указанный коэффициент для зданий и шкафов, в кото рых размещаются автоматические и авто матизированные системы технологического управления электротехническими объек тами, как правило, более 10. Расчет наведенных в кабелях импульс ных напряжений обычно производят с использованием специальных программ. Наведенные напряжения зависят от длины, типа и трассы прокладки кабелей, а также от расстояния между молниеприемником и кабельным каналом. Так, например, на неэкранированном кабеле длиной 100 м, лежащем на поверхности земли на расстоя нии 10 м от молниеприемника, индуциру ется напряжение около 60 кВ при ударе молнии (при втором импульсе тока 25 кА, длительности фронта 0,25 мкс). Пробивное напряжение для воздуха в условиях неравномерного импульсного поля кВ/м. Максимальный потенциал на молниеприемнике , где - импульсное сопротивление заземлителя, а - падение напряжения на молниеотводе. Тогда допустимое расстоя ние от первичных цепей до молниеприем ника можно оценить по формуле . | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||