Российское акционерное общество энергетики и электрификации «ЕЭС России»

 

утверждаю

Первый заместитель председателя Правления

РАО "ЕЭС России"

О.В. Бритвин

"12" июля 1999 г.

 

 

РУКОВОДСТВО ПО ЗАЩИТЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЕЙ 6-1150 кВ

ОТ ГРОЗОВЫХ И ВНУТРЕННИХ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЙ

 

РД 153-34.3-35.125-99

 

УДК 621.311; 313-315

 

 

В "Руководстве" изложены методы расчета внутренних (коммутационных и резонансных) перенапряжений и выбора комплекса мер защиты от них в электрических сетях 110-1150 кВ с эффективно заземленной нейтралью, в электрических сетях 6-35 кВ с изолированной, компенсированной и резистивно-заземленной нейтралью, в том числе, в системе собственных нужд электрических станций.

Приведены методы расчета грозоупорности и выбора средств ее повышения для воздушных линий электропередачи, РУ и подстанций 6-1150 кВ в зависимости от грозовой активности в регионе и использованных средств их защиты от грозовых перенапряжений.

"Руководство" предназначено для инженеров, работающих в области проектирования и эксплуатации энергосистем, электрических сетей и станций.

 

ПРЕДИСЛОВИЕ

 

Первое издание "Руководства по защите электрических сетей 6-1150 кВ от грозовых и внутренних перенапряжений" (в дальнейшем - "Руководство") было введено в действие в 1994 г. (РД 34.35.125-93).

По поручению Департамента стратегии развития и научно-технической политики РАО "ЕЭС России" АО НИИПТ и АО ВНИИЭ редакционно переработали, дополнили и подготовили к типографскому изданию вторую редакцию "Руководства". При ее подготовке учтен накопленный опыт защиты от перенапряжений в энергосистемах и научно-технический прогресс в этой области электроэнергетики. В частности, принято во внимание, что в России и других странах прекращен выпуск разрядников, вместо которых с середины 70-х годов производятся более эффективные ограничители перенапряжений разных типов. Добавлена глава о защите подстанций 110-750 кВ с элегазовыми КРУ. Основной текст "Руководства" значительно сокращен, а методические и справочные материалы перенесены в приложения.

"Руководство" состоит из 3-х частей:

Часть 1. Защита от внутренних перенапряжений электрических сетей 110-1150 кВ;

Часть 2. Защита от внутренних перенапряжений электрических сетей 6-36 кВ;

Часть 3. Грозозащита линий и подстанций 6-1150 кВ.

В каждой части "Руководства" содержатся: рекомендации по защите от перенапряжений, приложения с методиками и примерами расчета, справочные материалы, информация об имеющемся программном обеспечении расчетов перенапряжений различных видов.

В подготовке "Руководства" принимали участие АО НИИПТ (головная организация) и АО ВНИИЭ. Кроме них, к разработке отдельных вопросов привлекались: АО ЭНИН, АО "Институт "Севзапэнергосетьпроект", АООТ НИИ "Электрокерамика", ЗАО НПО "Электрокерамика", ОАО "Корниловский фарфоровый завод", СПбГТУ, и другие организации, что видно по списку составителей "Руководства".

Компьютерный набор "Руководства" подготовлен ЗАО НПО "Электрокерамика", макетирование - Петербургским энергетическим институтом повышения квалификации (ПЭИПК) Минтопэнерго РФ.

Отправной точкой для развития изложенных ниже методов расчета перенапряжений послужили фундаментальные труды проф. Л.И. Сиротинского, проф. А.А. Горева, проф. Н.Н. Щедрина, проф. И.С. Стекольникова, проф. Д.В. Разевига, проф. А.И. Долгинова, проф. М.Л. Левинштейна, проф. В.В. Бургсдорфа, проф. И.А. Груздева, к.т.н. Д.Е. Артемьева, к.т.н. А.А. Акопяна, к.т.н. А.В. Корсунцева и многих других отечественных ученых и специалистов, а также рекомендации СИГРЭ.

Научное руководство работой по подготовке 2-го издания "Руководства" осуществил академик РАН Н.Н. Тиходеев (АО НИИПТ).

Основными авторами и составителями "Руководства" являются:

по части 1 - проф., д.т.н. С.С. Шур (АО НИИПТ);

по части 2 - к.т.н., зав. сектором перенапряжений АО ВНИИЭ Н.Н. Беляков;

по части 3 - зав. сектором перенапряжений АО НИИПТ А.Н. Новикова.

Кроме них, в подготовке отдельных разделов "Руководства" и приложений к нему принимали участие следующие специалисты:

по внутренним перенапряжениям и защите от них -

инженер В.В. Крыжановский (АО НИИПТ, подраздел 2.9, Приложения 3 и 10);

инженер М.Н. Редругина (АО НИИПТ, Приложения 6 и 8);

к.т.н. А.А. Филиппов (АО НИИПТ, подразделы 3.2, 3.3 и 3.7);

к.т.н. В.И. Гавриков (АО НИИПТ, подразделы 3.3, 3.6 и 3.7);

к.т.н. В.Е. Розет (АООТ НИИ "Электрокерамика", Приложение 4);

к.т.н. - Г.М. Иманов (ЗАО НПО "Электрокерамика", Приложение 4);

к.т.н. К.И. Кузьмичева (АО ВНИИЭ, часть 2).

По грозовым перенапряжениям и защите от них -

Проф., член-корр. РАН М.В. Костенко (СПбГТУ, разделы 6, 7и 9, Приложение 17);

проф., д.т.н. Ф.Х. Халилов (СПбГТУ, раздел 9);

к.т.н. А.И. Таджибаев (ПЭИПК, раздел 9);

к.т.н. Н.И. Гумерова (СПбГТУ, раздел 9, Приложения 31 и 33);

к.т.н. С.М. Попов (АО ВНИИЭ. раздел 9, Приложения 31 и 32);

инженер Б.Б. Бочковский (АО ВНИИЭ, разделы 6 и 7, Приложение 22);

д.т.н. Э.М. Базелян (АО ЭНИН, Приложение 29);

к.т.н. М.Л. Фельдман (АО "Институт Севзапэнергосетьпроект", подраздел 8.3, Приложение 28);

инженер М.Б. Кегелес (АО "Институт Севзапэнергосетьпроект", подраздел 8.3, Приложение 30);

д.т.н. Б.В. Ефимов (Кольский НЦ РАН, Приложение 21);

к.т.н. Я.А. Цирель (АО НИИПТ, Приложение 15);

инженер О.В. Шмараго (АО НИИПТ, Приложения 23 и 26);

к.т.н. В.Я. Ерунов и инженер И.П. Полякова (АО НИИПТ, Приложение 34).

С введением в действие "Руководства" утрачивают силу "Руководящие указания по защите электростанций и подстанций 3-500 кВ от прямых ударов молнии и грозовых волн, набегающих с линий электропередачи" (ОРГРЭС, 1975).

 

 

ЧАСТЬ 3

ГРОЗОЗАЩИТА ЛИНИЙ И ПОДСТАНЦИЙ 6-1150 KB

 

СПИСОК ОБОЗНАЧЕНИЙ ЧАСТИ 3

 

А - крутизна тока молнии на фронте импульса с косоугольным фронтом, кА/мкс;

,  - математическое ожидание крутизны тока на фронте, соответственно, первого и последующих импульсов многократного разряда молнии, кА/мкс;

Акр - критическое значение крутизны тока на фронте импульса при ударе молнии в опору и трос, кА/мкс;

Ар - расчетная крутизна фронта волны тока, деформированной после пробега по коронирующему тросу от середины пролета до опоры, кА/мкс;

Ед- градиент разрядного напряжения по дереву, кВ/м;

Екр - критическое значение напряженности электрического поля в земле при пробое грунта, кВ/см;

Епр - пробивная напряженность грунта в однородном поле, кВ/см;

Еср - средняя напряженность на границе коронного чехла при отрицательной полярности, кВ/см;

I - амплитуда импульса тока молнии, кА;

 - математическое ожидание амплитуды импульса тока молнии, кА;

Iиск - критическое значение импульсного тока через заземлитель, при котором происходит пробой грунта, кА;

Iк.з - ток к.з., кА;

Iкр - критическое значение амплитуды тока молнии для линейной изоляции при прорыве молнии на провода, кА;

Il - ток к.з. при удалении точки удара молнии на расстояние l от шин ПС, кА;

Io - нормируемый ГОСТ 687-78 ток отключения к.з. выключателем, кА;

Iоб - амплитуда тока молнии, протекающего через объект с ненулевым сопротивлением заземления, кА;

IR=0 - амплитуда тока молнии, протекающего через хорошо заземленный объект, кА;

L - длина ВЛ, км;

lм-м - расстояние между молниеотводами, м;

 - индуктивность участка опоры от основания до уровня точки подвеса провода, мкГн;

 - индуктивность опоры от основания до точки подвеса троса (на ВЛ с тросом) или до вершины опоры (для ВЛ без троса), мкГн;

Lтр - индуктивность тросов, мкГн;

Ly - длина пути тока утечки изолятора, м;

Мпр(t) - взаимная индуктивность между каналом молнии и петлей провод-земля, мкГн;

Мтр(t) - взаимная индуктивность между каналом молнии и петлей трос-земля, мкГн;

N - число ударов молнии на 100 км длины ВЛ в год, удары;

nб - число "боковых" ударов молнии в ВЛ (из пространства слева и справа от оси опоры или вертикальных плоскостей, проходящих через тросы), удары;

Nг - абсолютное число грозовых отключений ВЛ в год, шт.;

nг.д - число грозовых дней в году, дни;

nг.ч - число грозовых часов в году, ч;

Nдоп - допустимое число автоматических отключений ВЛ длиной L по всем причинам, шт.;

Nдоп.г - допустимое число грозовых отключений ВЛ длиной L при фактическом Nг.ч, шт.;

nи - число индуктированных перенапряжений с амплитудой равной и более 25 кВ, шт.;

nн.в - число опасных перенапряжений, возникающих на оборудовании ПС от набегающих грозовых волн в год, шт.;

nо - допустимое без ремонта выключателя количество отключений тока к.з., шт.;

Nоп - число ударов молнии в опоры на 100 км, удары;

Nп - число "прямых" ударов молнии в ВЛ (в полосу шириной, равной расстоянию между тросами или проводами на бестросовых линиях), удары;

Nпр - число прорывов молнии на провод на 100 км, шт.;

Nп.у - число случаев перекрытия изоляции на ПС в год при прямых ударах молнии, шт.;

nтр - число ударов молнии в трос в пролете на 100 км, удары;

 - вероятность значений крутизны тока молнии больше ai отн. ед.;

 - вероятность значений амплитуды тока молнии больше Ii, отн. ед.;

 - вероятность значений тока молнии, превышающих критическое для удара молнии в провод, отн. ед.;

Роп - вероятность обратного перекрытия линейной изоляции при ударе молнии в опору, отн. ед.;

ртр - вероятность перекрытия линейной изоляции при ударе молнии в трос в пролете, отн. ед.;

 - вероятность индуктированных перенапряжений, превышающих значение uн, отн. ед.;

Рa,  - вероятность прорыва молнии на провода, отн. ед.;

R, Rз - сопротивление заземления, Ом;

rи - сопротивление заземления при стекании импульсного тока, Ом;

rк - радиус расщепления коронирующего провода, м;

Rp - радиус расщепления фазы, м;

Rэкв - эквивалентная ширина полосы стягивания "боковых" разрядов (см. NБ) с одной стороны от оси ВЛ, м;

RS - сопротивление заземления комбинированного заземлителя, Ом;

R~ - сопротивление заземления на переменном токе промышленной частоты, Ом;

S - характеристический размер заземлителя, м;

Т - число грозовых дней в году (изокераунический уровень), дни;

Тн.в - повторяемость опасных перенапряжений на изоляции оборудования ПС от набегающих с ВЛ грозовых волн, годы;

тп.р - средний период планового ремонта выключателей, годы;

Тп.у - то же, что Тн.в, но от прямых ударов в ОРУ, годы;

U - наибольшее длительно допустимое рабочее (линейное) напряжение, кВ;

u50 - 50%-ное разрядное напряжение изоляции при стандартном грозовом импульсе по обобщенной для различных типов гирлянд зависимости u50 от lразр, кВ;

 - 50%-ное разрядное напряжение гирлянды, используемой на ВЛ, при стандартном грозовом импульсе, кВ;

(1,2), (1,2) - 50%-ное разрядное напряжение изоляции для стандартного импульса, соответственно, положительной и отрицательной полярности, кВ;

U50(lpaзp) -50%-ное разрядное напряжение гирлянды для отрицательного импульса с усредненными параметрами (tф = 4¸5 мкс) в зависимости от длины гирлянды.

 (tф) - 50 %-ное разрядное напряжение изоляции для импульса положительной полярности с длительностью фронта более длительности фронта стандартного импульса, кВ;

Ua - амплитудное значение грозового импульса, кВ;

 - крутизна грозового импульса на фронте, кВ/мкс;

Uдоп - напряжение, допустимое для изоляции оборудования ПС, кВ;

uи - индуктированное напряжение на ВЛ 6-35 кВ, кВ;

,  - значение индуктированного напряжения, вызывающего двух и трехфазное перекрытие изоляции на ВЛ 6-35 кВ, кВ;

Uиз(t) - суммарное (импульсное и рабочее) напряжение на линейной изоляции при ударе молнии в опору и трос, кВ;

Uимп(t) - импульсное напряжение на линейной изоляции, кВ;

Uин.м(t) - составляющая индуктированного напряжения, создаваемая током в опоре и током в канале молнии, кВ;

Uин.тр(t) - напряжение, индуктированное на проводе током в тросе, кВ;

Uин.э(t) - электрическая составляющая индуктированного напряжения, кВ;

Uк - напряжение начала короны на проводе или тросе, кВ;

DUк - координационный интервал по напряжению, кВ;

Uк.п - напряжение докоронного порога, кВ;

Umin - минимальное разрядное напряжение линейной изоляции, кВ;

Uн - номинальное напряжение ВЛ, кВ;

uост - остающееся напряжение на защитном аппарате, кВ;

Uп.в - амплитуда испытательного напряжения полной волной, кВ;

Uпр - напряжение на проводе в точке удара молнии, кВ;

Up - фазное рабочее напряжение ВЛ, кВ;

Uразр(t) - вольт-секундная характеристика гирлянды изоляторов для разрядов на косоугольном фронте импульса, кВ;

uр.в - амплитуда расчетного грозового импульса, кВ;

UR(t) - составляющая импульсного напряжения на изоляции, вызванная падением напряжения на сопротивлении заземлении опоры, кВ;

Uт(t) - напряжение на трансформаторе, кВ;

Uэкс - среднее эксплуатационное линейное рабочее напряжение, кВ;

а - крутизна тока молнии, кА/мкс;

с - скорость света, м/мкс;

cо - геометрическая емкость провода на единицу длины, пФ/м;

сд - динамическая емкость провода на единицу длины, пФ/м;

сш - удельная емкость ошиновки, пФ/м;

d - шаг расщепления, м;

Dd - расстояние между тросом и проводом по горизонтали, м;

dтр-тр - расстояние по горизонтали между тросами или верхними проводами (для бестросовых ВЛ), м;

fпр - стрела провеса провода, м;

fтр - стрела провеса троса, м;

h - высота стержневого или протяженного молниеотвода, м;

Dh - разность высот подвеса троса и провода на опоре, м;

hэф - наибольшая высота зоны защиты молниеотвода, м;

hг - наименьшее допустимое расстояние от провода до земли в середине пролета, м;

hс.г - наименьшая высота границы внутренней зоны защиты совместно действующих молниеотводов, м;

hоп - высота опоры, м;

hпр - высота подвеса провода на опоре, м;

hср - средняя высота подвеса троса (провода), м;

hср.пр - средняя высота подвеса провода, м;

hср.тр - средняя высота подвеса троса, м;

hтр - высота подвеса троса на опоре, м;

hтр-пр - расстояние по вертикали между тросом и проводом в середине пролета, м;

iм - ток молнии, кА;

iоп - ток, протекающий по опоре, кА;

iтр - ток, ответвляющийся в тросы, кА;

j - плотность тока, кА/м2;

kапв - коэффициент успешности автоматического повторного включения (АПВ), отн. ед.;

kв - коэффициент, учитывающий условия эксплуатации линейного выключателя, отн. ед.;

kг - геометрический коэффициент связи провода и троса (нескольких тросов), находящихся под напряжением, отн. ед.;

ke - коэффициент, учитывающий снижение градиента разрядного напряжения с увеличением длины гирлянды, отн. ед.;

kf - коэффициент формы для расчета сопротивления заземления, отн. ед.;

kh - отношение эквивалентной полосы стягивания "боковых" разрядов к средней высоте подвеса троса (провода на бестросовых ВЛ) - Rэкв/hср, отн. ед.;

kк - коэффициент связи провода с коронирующим тросом (тросами), отн. ед.;

kкон - коэффициент, учитывающий различие в конструкции изоляторов (отношение длины пути тока утечки Ly к строительной высоте изолятора Низ), отн. ед.;

kпод - коэффициент подобия при расчете сопротивления заземления лучевого заземлителя, отн. ед.;

kэ - коэффициент экранирования трассы ВЛ от разрядов молнии, отн. ед.;

l - расстояние между точкой к.з. на ВЛ и шинами ПС, км;

lарм - длина строительной арматуры, м;

lг - длина гирлянды для подвески провода (со строительной арматурой), м;

lг.тр - длина гирлянды для подвески троса (со строительной арматурой), м;

lгаб - габаритный пролет, м;

lд - длина изоляции по дереву, м;

lо.з - длина опасной зоны на подходе к ПС, км;

lпрол - длина пролета, м;

lр-а - расстояние между разрядником и автотрансформатором, м;

lр.р - расстояние между разрядником и реактором, м;

lразр - длина разрядного пути по гирлянде изоляторов, м;

n - число составляющих проводов расщепленной фазы, шт.;

nб.у - удельное число грозовых отключений ВЛ 6-35 кВ на 100 км и 100 грозовых часов от близких ударов молнии в землю, шт.;

nвл - число отходящих от подстанций ВЛ, шт.;

nг - удельное число грозовых отключений ВЛ, рассчитанное на 100 км и 100 грозовых часов, шт.;

 - удельное число грозовых отключений на 100 км и один год эксплуатации, шт.;

nг.1ц - удельное число грозовых отключений одной цепи ВЛ на двухцепных опорах на 100 км и 100 грозовых часов, шт.;

nг.2ц - удельное число грозовых отключений одновременно двух цепей ВЛ на общей опоре на 100 км и 100 грозовых часов, шт.;

nг.пред - предельное значение удельного числа грозовых отключений ВЛ по критерию коммутационного ресурса выключателя на 100 км и 100 грозовых часов, шт.;

 - предельное значение удельного числа грозовых отключений одной цепи на двухцепных опорах по критерию коммутационного ресурса выключателя на 100 км и 100 грозовых часов, шт.;

nиз - число изоляторов в гирлянде, шт.;

nп.у - удельное число грозовых отключений ВЛ 6-35 кВ на 100 км и 100 грозовых часов от прямых ударов молнии в линию, шт.;

nобщ - общее число автоматических отключений ВЛ по всем причинам, рассчитанное на 100 км и один год эксплуатации, шт.;

nоп - удельное число грозовых отключений от обратных перекрытий от ударов в опору, рассчитанное на 100 км и 100 фазовых часов, шт.;

(nоп+nтр)пред - предельное значение удельного числа грозовых отключений от обратных перекрытий по критерию коммутационного ресурса выключателя на 100 км и 100 грозовых часов, шт.;

 - то же самое, что и (nоп+nтр)пред, но для двух цепей на двухцепных опорах и только от первых перекрытий, т.е. без учета перекрытий после перекрытия изоляции соседней цепи, шт.;

nпр,  - удельное число грозовых отключений от прорывов молнии на провода, рассчитанное на 100 км и 100 грозовых часов, шт.;

ns - удельное число грозовых отключений от перекрытий воздушного промежутка трос-провод от ударов молнии в среднюю часть пролета, рассчитанное на 100 км и 100 грозовых часов, шт.;

nтр - удельное число грозовых отключений от обратных перекрытий от ударов в середину пролета, рассчитанное на 100 км и 100 грозовых часов, шт.;

nэкс - удельное число грозовых отключений ВЛ по опыту эксплуатации на 100 км и 100 грозовых часов, шт.;

ро - плотность разрядов молнии на 1 км2 поверхности земли за год;

ro - граница зоны защиты стержневого молниеотвода на уровне земли, м;

rк - радиус чехла короны провода или составляющего провода расщепленной фазы, м;

rпр - радиус провода или составляющей расщепленной фазы, м;

rс.о - граница внутренней зоны защиты совместно действующих молниеотводов на уровне земли, м;

rэ - эквивалентный радиус фазы, м;

rтр - радиус троса, м;

rэ.к - эквивалентный радиус расщепленной коронирующей фазы, м;

t - время, мкс;

tкр - момент перекрытия линейной изоляции при ударе молнии в опору, мкс;

tmax, tmin - максимальная и минимальная длительность фронта расчетного импульса тока молний, мкс;

 - время пробега волной половины пролета, мкс;

u - импульсное напряжение на проводе (тросе), кВ;

uр(j) - рабочее напряжение в момент разряда молнии в ВЛ, кВ;

uтр - напряжение на тросе, кВ;

v - скорость распространения главного разряда молнии, м/мкс;

z - волновое сопротивление, Ом;

zг - геометрическое (без учета короны) волновое сопротивление троса или провода, Ом;

zг.пр - геометрическое волновое сопротивление провода, Ом;

zк.пр - волновое сопротивление коронирующего провода, Ом;

zк.тр - волновое сопротивление тросов с учетом короны, Ом;

zм - сопротивление канала молнии, Ом;

zтр - волновое сопротивление тросов, Ом;

zэкв — волновое сопротивление нескольких параллельных тросов или проводов, Ом;

a - угол защиты троса, град;

b - относительная скорость обратного разряда молнии, отн. ед.;

bг - доля грозовых в общем числе автоматических отключений ВЛ, отн. ед.;

dоп — доля ударов в опоры и прилегающие участки троса от общего числа ударов молнии в пролет ВЛ, отн. ед.;

e - относительная диэлектрическая проницаемость грунта, отн. ед.;

e0 - диэлектрическая постоянная, равна 8,85 пФ/м;

h - коэффициент перехода импульсного перекрытия в дугу тока промышленной частоты, отн. ед.;

r - удельное сопротивление грунта, Ом×м;

 - коэффициент изменчивости крутизны тока на фронте, соответственно, первого и последующих импульсов многократного разряда молнии для логарифмически нормального распределения, где А1, и А2 в кА/мкс;

slgI - коэффициент изменчивости амплитуды тока молнии для логарифмически нормального распределения, где I в кА;

tи - длительность спада импульса тока до значения 0,5 I, мкс;

tф - длительность фронта импульса, мкс;

yпр, yоп - доли опасных для изоляции ПС импульсов, соответственно, при прорыве молнии на провода и при обратных перекрытиях изоляции ВЛ, отн. ед.;

П1, П2 - координаты критериальной зависимости для расчета импульсного сопротивления заземления, отн. ед.;

 - координаты критериальной зависимости для расчета импульсного сопротивления заземления, но соответствующие стационарному сопротивлению заземления, отн. ед.

 

РАЗДЕЛ 6. Основные характеристики разряда молнии

в расчетах грозозащиты

 

6.1. Краткие сведения о механизме разряда молнии

 

Грозовое облако является носителем электрических зарядов, сосредоточенных на водяных каплях. Их движение и распределение в облаке зависят не только от сил электростатического взаимодействия, но также от силы тяжести капель, скорости и направления воздушных потоков. Вследствие совместного действия этих сил в облаке могут длительно существовать зоны положительной и отрицательной полярности с различной плотностью зарядов. Неравномерность распределения зарядов приводит к возникновению сильного электрического поля внутри облака между зонами различной полярности и между облаком и землей. Условия для возникновения молнии создаются, когда в каком-либо месте облака напряженность электрического поля превысит электрическую прочность воздуха.

Разряд молнии прорастает в виде лидера, направленного в основном по силовым линиям электрического поля. Как показывают результаты инструментальных исследований, разряды молнии в землю с вероятностью 0,9 возникают из отрицательной по отношению к земле зоны облака (такие разряды принято называть отрицательными). Образование и дальнейшее развитие лидера молнии представляет собой сложный физический процесс, многие детали которого до сих пор недостаточно исследованы, поэтому для инженерных расчетов неизбежно использование упрощенной модели разряда молнии, в которой лидер отрицательного разряда рассматривается как канал, заполненный отрицательными зарядами.

Время прорастания лидера от облака до поверхности земли составляет несколько миллисекунд. Как показывают фотографические наблюдения (фоторазвертки), лидер прорастает не равномерно, а скачками или ступенями. Средняя скорость прорастания лидера оценивается значениями, близкими к 0,0005 скорости света, а во время скачка к земле направление прорастания лидера определяется картиной электрического поля вблизи его головки, в частности, скоплениями объемных зарядов, создаваемых заряженными водяными каплями в пространстве между облаком и землей. Поэтому лидер молнии обычно прорастает по искривленному пути, имеющему многочисленные изломы и разветвления. По мере того, как отрицательно заряженный канал лидера приближается к поверхности земли, напряженность электрического поля между ним и землей растет. На земле и наземных объектах накапливаются заряды противоположной (положительной) полярности, индуктированные зарядом лидера, и напряженность электрического поля на отдельных точках поверхности земли, в особенности на возвышающихся объектах, достигает критического значения, при этом на наземных объектах (на опорах, тросах и проводах ВЛ) возникают положительные стримеры, а затем развивается и встречный лидер.

В заключительной фазе разряда молнии происходит перекрытие промежутка между нисходящим и встречным лидерами. Таким образом, при определенной высоте лидера над землей проявляется ориентация разряда молнии на тот или иной наземный объект. Предполагается, что ориентировка лидера происходит, когда средняя напряженность в промежутке между головкой лидера и наземными объектами достигнет 500 кВ/м.

Перекрытие воздушного промежутка между головкой лидера и наземным объектом является переходом от первой (лидерной) стадии к главной стадии разряда молнии, в которой происходит компенсация отрицательного заряда лидера положительными зарядами, притекающими из земли, при этом через пораженный молнией объект протекает ток, который и представляет собой "ток молнии". Процесс нейтрализации отрицательного заряда распространяется вверх по лидеру, образуя ярко светящийся канал главного разряда, прорастающий от земли к облаку со скоростью порядка десятых долей скорости света. Амплитуда тока молнии, протекающего через пораженный объект, так же как и высота ориентировки, зависит от заряда лидера. Это дает возможность установить связь между током молнии и высотой ориентировки, которая изменяется от 200 и более метров - для ударов с токами свыше 200 кА, и до 20-30 м - для ударов с токами 15-20 кА.

При отрицательном ударе молнии вслед за главным разрядом обычно наблюдаются повторные разряды по тому же каналу. Повторные разряды вызываются тем, что нейтрализация зарядов канала приводит к разрядам соседних заряженных областей облака на канал и через него в землю. Типичная осциллограмма многократного разряда изображена на рис. 6.1. В отдельных случаях наблюдалось до тридцати и более повторных разрядов в одном ударе молнии, однако 50% ударов содержит не более двух-трех импульсов. На рис. 6.2 показано распределение числа составляющих Nи в многократном разряде. Общая продолжительность многократного разряда может достигать 1 с, как на рис. 6.1, но такие затяжные удары являются редким явлением. Большая часть ударов имеет длительность не более 0,3 с.

 

 

Рис. 6.1. Типичная осциллограмма тока многократного разряда молнии отрицательной полярности (медленная развертка)

 

 

Рис. 6.2. Распределение числа импульсов в многократном разряде молнии (6000 регистрации)

 

Характерные осциллограммы импульсов тока первой (1) и последующих (2) составляющих многократного разряда показаны на рис. 6.3 в двух масштабах времени. Форма импульса первой составляющей имеет следующие особенности: ток в начальной стадии нарастает относительно медленно; фронт импульса имеет вогнутую форму; наибольшая крутизна фронта наблюдается вблизи максимума тока. Изломы и колебания кривой тока вблизи максимума объясняются искривлениями канала молнии и наличием в нем ответвлений. После нейтрализации канала лидера в стадии главного разряда ток молнии через пораженный объект в течение 100-200 мкс спадает до небольшого или до нулевого значения (см. рис. 6.3,б, кривая 1).

 

 

а)                                                         б)

 

Рис. 6.3. Типичные осциллограммы импульса тока первой (1) и последующих (2) составляющих многократного разряда молнии отрицательной полярности в разных масштабах времени (а, б)

 

Импульс тока молнии, протекающего через пораженный объект при повторных разрядах, отличается более коротким фронтом и длительностью и, как правило, меньшей амплитудой при большей крутизне тока на фронте. По форме он ближе к стандартному грозовому импульсу с параметрами 1,2/50 мкс.

Положительные удары молнии, составляющие в среднем 10%, бывают, как правило, однократные. Они могут иметь значительную амплитуду тока, однако обычно для них характерен пологий фронт. В редких случаях (около 4%) наблюдаются колебательные разряды. В настоящее время эти два типа разрядов молнии не учитываются в расчетах грозозащиты ВЛ и ПС.

 

6.2. Количественные характеристики разряда молнии

 

6.2.1. Параметры разряда молнии, используемые в расчетах грозозащиты ВЛ и ПС, и информация об их количественных характеристиках дана в табл. 6.1.

Грозоупорность ВЛ, как правило, рассчитывается только для первого импульса разряда молнии, так как вероятность перекрытия изоляции при воздействии последующих импульсов на порядок и более меньше, чем при воздействии первого импульса. Учет последующих импульсов в оценке грозоупорности оправдан только в некоторых специальных случаях при большой индуктивности опор (многоцепные ВЛ на одностоечных опорах, большие переходы ВЛ через водные преграды и т. д.).

При многократном разряде молнии перенапряжения на изоляции ВЛ возникают как на первом, так и при последующих импульсах тока, однако при обычном времени действия защит и АПВ (не менее 1 с) все возможные при многократном разряде молнии перекрытия линейной изоляции укладываются в интервал одного отключения ВЛ.

 

Таблица 6.1

 

Параметры разряда молнии, используемые в расчетах грозозащиты ВЛ и ПС

 

Параметр

Количественные характеристики

Полярность разряда

С вероятностью 0,9 отрицательная

многокомпонентность

Статистическое распределение числа импульсов в разрядах по рис. 6.2

Для первой и последующих составляющих

Форма импульсов

Обобщенная форма импульсов дана на рис. 6.4, расчетная (п. 6.2.3)

Длительность импульса и длительность фронта

Статистические распределения (п. 6.2.2)

Амплитуда и крутизна тока

Корреляция между амплитудой и крутизной тока

В расчетах грозозащиты амплитуда и крутизна тока приняты взаимонезависимыми (п. 6.2.4)

Скорость распространения главного разряда

Принята 0,3 скорости света (п. 6.2.5)

Эквивалентное сопротивление канала молнии

Учитывается зависимость от амплитуды тока молнии (п. 6.2.6)

 

Грозозащита ПС должна рассчитываться с обязательным учетом первых и последующих импульсов многократного разряда молнии.

6.2.2. В результате обработки осциллограмм, многократного разряда молнии получены статистические распределения, описанные логарифмически нормальным законом, для следующих параметров первого и последующих импульсов:

• амплитуда тока I;

• крутизна тока на фронте:   на участке (0,1-0,9)I - A0,1;

на участке (0,3-0,9)I - A0,3;

максимальная           - Amax;

длительность спада импульса тока до значения 0,5 I - tн;

• длительность фронта:  на участке (0,1-0,9)I - ;

на участке (0,3-0,9)I - .

Характеристики логарифмически нормальных распределений параметров разряда молнии (математическое ожидание  и коэффициент изменчивости slgI), значения параметров, превышение которых возможно с вероятностью 0,95; 0,5 и 0,05 , а также наибольшие зарегистрированные их значения приведены в табл. 6.2.

Для амплитуды тока первых импульсов приведены три варианта распределений (рис. 6.5), полученные по результатам полевых исследований в разных странах:

• рекомендация Исследовательского комитета № 33 СИГРЭ - обобщенное распределение по результатам измерений преимущественно на башнях;

• два распределения, обобщающие измерения токов на воздушных линиях, разница высот которых составляет примерно 20 м.

 

а)

 


б)

 

Рис. 6.4. Среднестатическая форма импульсов многократного разряда молнии:

а) первый импульс; б) последующие импульсы

 

 

Рис. 6.5. Распределение амплитуды тока первых импульсов многократного разряда молнии:

1 - обобщенное распределение по результатам измерений преимущественно на башнях (рекомендация Исследовательского комитета № 33 СИГРЭ);

2 - по измерениям на ВЛ (hоп до 45 м);

3 - по измерениям на ВЛ (hоп до 20 м)

 

Для расчета грозоупорности ВЛ предпочтительнее использовать распределения токов молнии, полученные по регистрациям на ВЛ. Параметры логарифмически нормального закона в зависимости от высоты опор hоп выбираются следующим образом:

при hоп £ 20 м                                               = 20 кА,                                                                (6.1)

slgI = 0,39,                                                                 (6.2)

при hоп > 20 м                                     = 20 + 0,32(hоп - 20) кА,                                                (6.3)

slgI = 0,39 - 0,0028 (hоп - 20).                                              (6.4)

Вероятность амплитуды тока молнии, превышающей Ii, рассчитывается с использованием полученных параметров по формуле:

 

                                (6.5)

 

где  - значение амплитуды тока молнии, вероятность превышения которой равна 0,5.

6.2.3. Форма фронта импульса тока имеет принципиальное значение в расчетах грозоупорности ВЛ 110 кВ и выше при ударе молнии в опору: в этом случае обратное перекрытие изоляции наиболее вероятно на фронте волны. Фронт импульса, имеющий достаточно сложную форму и непостоянную крутизну, в расчетах заменяется косоугольным с постоянной крутизной с учетом следующих обстоятельств. Обратное перекрытие изоляции при ударе молнии в опору происходит на фронте импульса при достижении значений тока молнии около 30 кА и выше. Для подавляющего большинства импульсов при среднем значении амплитуды тока молнии (20-30) кА этот момент наступает на участке фронта выше 0,5 I, т.е. форма начального участка фронта не имеет существенного значения для расчета грозоупорности ВЛ 110-1150 кВ.

 

Таблица 6.2

 

Характеристики логарифмически нормальных распределений

параметров многократного разряда молнии

 

Наименование параметра

Характеристики распределения

Значение параметра, превышение которого возможно с вероятностью

Наибольшее зарегистрированное значение

slgI

0,95

0,5

0,05

Первый импульс

Амплитуда тока молнии, кА (по данным обработки измерений на объектах разных типов)

СИГРЭ (башни)

30,3

0,32

8,9

30,0

100,8

250

ВНИИЭ

(ВЛ, hoп = 25 - 45 м)

28,0

0,32

8,3

28,0

94,0

250

НИИПТ

(ВЛ, hoп = 13 - 20 м)

20,0

0,39

4,6

20,0

87,7

250

Длительность импульса tи, мкс

75,0

0,25

30,0

75,0

200,0

250

Крутизна тока, кА/мкс

А0,1

5,0

0,28

1,7

5,0

14,1

15,0

А0,3

7,2

0,27

2,6

7,2

20,0

18,0

Аmax

24,3

0,26

9,1

24,3

65,0

72,0

Длительность фронта, мкс

4,5

0,25

1,8

4,5

11,3

30,0

2,3

0,24

0,9

2,3

5,8

9,0

Последующие импуль-сы

Амплитуда тока молнии I, кА

11,8

0,23

4,9

11,8

28,6

35,0

Длительность импульса tи, мкс

32,0

0,40

6,5

32,0

140,0

170

Крутизна тока, кА/мкс

А0,1

15,4

0,41

3,3

15,4

72,0

300

А0,3

20,1

0,42

4,1

20,1

98,5

300

Аmax

39,9

0,37

9,9

39,9

161,5

300

Длительность фронта, мкс

0,6

0,40

0,1

0,6

2,8

5,2

0,4

0,44

0,1

0,4

1,8

3,8

 

Расчетный импульс должен быть близок к реальному на участке выше 0,5I. Этому условию удовлетворяет импульс с косоугольным фронтом, проходящим через значение 0,9I и абсциссу, соответствующую значению 0,3I (см. рис. 6.4). Параметры логарифмически нормального распределения крутизны тока молнии принятого расчетного импульса оцениваются следующими значениями:

для первого импульса                   = 10,8 кА/мкс;  =0,265;                                           (6.6)

для последующих импульсов         = 30,2 кА/мкс;  = 0,4.                                          (6.7)

Для этого вида воздействия на основании обработки разрядных характеристик изоляции на нестандартных волнах получены необходимые для расчета и соответствующие типу импульсного воздействия вольт-секундные характеристики изоляции для случаев перекрытия на фронте импульса с tф до 10 мкс.

6.2.4. Связь между амплитудой и крутизной тока молнии характеризуется значениями коэффициентов корреляции, приведенными в табл. 6.3.

 

Таблица 6.3

 

Коэффициенты корреляции между амплитудой I и различными

значениями крутизны А на фронте волны тока молнии

 

Коррелируемые параметры

Крутизна тока на фронте

A0,1

А0,3

Amax

Амплитуда тока I:

первого импульса

0,30

0,19

0,43

последующих импульсов

0,31

0,23

0,56

 

 

Рис. 6.6. Корреляционное поле амплитуды и максимальной крутизны фронта

тока для первой составляющей разряда молнии

 

Нарис.6.6 представлено корреляционное поле амплитуды и максимальной крутизны Атах для первой составляющей разряда. Для амплитуды и крутизны А0,3 (при меньшем коэффициенте корреляции) корреляционное поле характеризуется еще большим разбросом точек, поэтому в расчетах грозозащиты амплитуда и крутизна тока молнии для первых и последующих импульсов приняты взаимно независимыми.

6.2.5. Скорость распространения главного разряда молнии v зависит от амплитуды тока и изменяется во времени по мере развития канала. Значение v лежит в пределах (0,1-0,5) с, где с -скорость света. При одинаковой амплитуде тока молнии скорость распространения главного разряда последующих импульсов больше, чем первого импульса. С учетом того, что амплитуда последующих импульсов обычно меньше, для всех импульсов многократного разряда принимается одинаковое расчетное значение v = 0,3 с.

6.2.6. Сопротивление канала молнии на стадии главного разряда не остается постоянным, уменьшаясь по мере возрастания протекающего тока. Этот параметр характеризуется некоторым эквивалентным значением zм и зависит от амплитуды тока молнии (рис. 6.7).

 

 

Рис. 6.7. Зависимость эквивалентного сопротивления канала от тока молнии

 

Расчетное значение сопротивления канала молнии влияет на амплитуду тока, протекающего через пораженный объект Iоб. Расчет Iоб выполняют по следующей формуле:

 

                                                       (6.8)

 

где IR=0 - амплитуда тока молнии, протекающего через хорошо заземленный объект; zэкв - эквивалентное сопротивление пораженного объекта. Например, при ударе молнии в провод zэкв = zпр/2.

В большинстве расчетных случаев zм принимается равным бесконечности, при этом Iоб = IR=0, что соответствует представлению о канале молнии как источнике заданного тока. Расчет показателей грозоупорности ВЛ при zм = ¥ дает небольшой запас при расчете числа грозовых отключений от прорывов молнии на провода. Уточнение значения zм в соответствии с рис. 6.7 следует делать для расчета критического значения тока при ударе молнии в провода ВЛ напряжением 500 кВ и выше, для которых прорывы молнии являются основной причиной грозовых отключений.

 

6.3. Интенсивность грозовой деятельности

 

6.3.1. Наиболее информативной для расчета грозопоражаемости энергетических объектов характеристикой является плотность разрядов молнии на землю ро, наблюдаемая с помощью счетчиков разрядов молнии в течение длительного срока. Накопленный статистический материал по инструментальным измерениям числа разрядов в большинстве случаев пока еще недостаточен для построения региональных карт плотности наземных разрядов, поэтому ро приходится оценивать косвенно через другие многолетние характеристики грозовой деятельности: число грозовых дней и продолжительность грозовой деятельности в часах за год.

6.3.2. Число грозовых дней Nг.д (в зарубежной литературе - изокераунический уровень Т) - наиболее распространенный и длительно наблюдаемый во многих странах показатель грозовой активности. Имеющиеся ограниченные данные свидетельствуют о слабой корреляционной зависимости числа дней с грозой и плотности разрядов молнии на землю. При отсутствии других данных для равнинных территорий бывшего СССР ро может быть оценено через Nг.д по формуле:

 

ро = 0,036,                                                       (6.9)

 

где ро - плотность разрядов молний на 1 км2 поверхности земли за год.

6.3.3. Продолжительность грозовой деятельности в часах наблюдается в ряде стран (30 лет и дольше), в том числе и на территории бывшего СССР. Отмечена корреляция ро и Nг.ч, описываемая для равнинных районов зависимостью

 

ро = 0,05Nг.ч,                                                            (6.10)

 

На рис. 6.8 представлена карта Nг.ч, разработанная по данным наблюдений за грозой на 1700 гидрометеостанциях (ГМС) на территории бывшего СССР. Эта карта, построенная в масштабе 1:10000000, дает общее представление о распределении грозовой активности на большой территории.

В настоящее время появилась возможность для разработки более детальных региональных карт Nг.ч. На рис. 6.9,а в качестве примера представлена региональная карта Nг.ч с интервалом между изолиниями 5 часов для Ленинградской области, разработанная в отделе прикладной климатологии Главной геофизической обсерватории (ГГО). Карта построена в масштабе 1:500000 с привлечением данных наблюдений за грозой за 40-50-летний период по 140 гидрометеорологическим станциям и постам, расположенным на территории Ленинградской области и в пограничных районах. Для сравнения на рис. 6.9,б изображен фрагмент карты Nг.ч по территории бывшего СССР для Ленинградской области.

6.3.4. В тех случаях, когда имеются данные только о числе дней с грозой Nг.д (например, при сопоставлении опыта эксплуатации зарубежных и отечественных ВЛ), пересчет к числу грозовых часов производится по формуле

 

Nг.ч = 0,72                                                         (6.11)

 

6.3.5. При проектировании и сопоставлении расчетных и эксплуатационных показателей грозоупорности ВЛ и ПС рекомендуется использовать данные наблюдений за грозой гидрометеостанций, наиболее близко расположенных к трассе ВЛ или территории ПС. В первом случае используется среднемноголетнее число грозовых часов не менее чем за 30 лет, а во втором - фактическое число грозовых часов за каждый анализируемый год.

6.3.6. При оценке продолжительности гроз вдоль трассы ВЛ приходится считаться с неоднородностью сети ГМС и удаленностью отдельных ГМС от трассы на расстояние, превышающее радиус обнаружения грозы (порядка 15 км), т.е. условно относить отдельные участки трассы к зоне "охвата" ближайшей ГМС (см. Приложение 13, рис. П13.1).

В пределах практических зон "охвата" ГМС могут быть отдельные области, в которых интенсивность грозовой деятельности в силу местных условий заметно отличается от показателей, фиксируемых ближайшей ГМС. Правильная оценка интенсивности грозовой деятельности в таких случаях возможна только на основе специального анализа, учитывающего географические и климатические особенности местности, наличие крупных водоемов и рек. Такой анализ может оказаться полезным для выявления причин пониженной грозоупорности ВЛ.

 

 

Рис. 6.8. Карта годовой продолжительности гроз в часах для территории бывшего СССР

 

 

Продолжение рис. 6.8

 

 

Рис. 6.9. Среднегодовая продолжительность гроз в часах (Nг.ч) на территории Ленинградской области:

а) региональная карта (разработана ГГО в масштабе 1:500 000);

б) фрагмент карты из ПУЭ-1998 (разработана ВНИИЭ в масштабе 1:10000000)


6.4. Грозопоражаемостъ воздушных линий

 

6.4.1. Возвышаясь над окружающей местностью, ВЛ поражается разрядами, развивающимися непосредственно над ней, и "стягивает" боковые разряды.

Число "прямых" ударов в линию Nп зависит от плотности разрядов молнии на землю ро, расстояния между тросами (или проводами на ВЛ без троса) dтр-тр и длины линии L следующим образом:

 

Nп = pо L dтр-тр,                                                           (6.12)

 

где ро - плотность разрядов молнии на землю; L - длина линии; dтр-тр - расстояние между тросами (или проводами для бестросовой линии).

Вероятность поражения ВЛ боковым разрядом зависит от амплитуды тока молнии Ii и высоты подвеса тросов и проводов. Чем больше Ii и высота ВЛ, тем с большего расстояния разряд молнии ориентируется на ВЛ. В расчетах числа боковых ударов молнии nБ используется эквивалентная ширина полосы стягивания Rэкв, пропорциональная средней высоте подвеса троса hср, и вычисляемая по формуле:

 

NБ = 2pо L Rэкв = 2pо L kh hcp,                                                (6.13)

 

С увеличением высоты поражаемого объекта значение kh = Rэкв/h уменьшается. На рис. 6.10 показана зависимость kh от h, полученная по результатам обобщения данных по поражаемости объектов (ВЛ и молниеотводов) различной высоты.

Число ударов молнии на 100 км длины ВЛ рассчитывается по формулам:

При hcp £ 30 м                                                                       (6.14)

 

При hcp > 30 м                                                                           (6.15)

где ро - плотность разрядов молнии на землю определяется по рекомендациям подраздела 6.3; dтр-тр - расстояние между тросами (или проводами на бестросовой линии), м. Для ВЛ с одним тросом dтр-тр = 0; hср - средняя высота подвеса троса или провода, м; рассчитывается по рекомендациям Приложения 16 (п. 16.2).

 

 

Рис. 6.10. Зависимость отношения ширины полосы, с которой ВЛ собирает боковые разряды молний с одной стороны от ВЛ (Rэкв), к высоте опор по данным полевых исследований:

· бывшая Чехословакия;

○ Польша;

D Украина

 

 

РАЗДЕЛ 7. Показатели грозоупорности

и средства грозозащиты воздушных линий

 

Показателем грозоупорности ВЛ является число ее грозовых отключений. В проектной и эксплуатационной практике, в зависимости от рассматриваемой задачи, могут использоваться:

• удельное число грозовых отключений nг, рассчитанное на 100 км и 100 грозовых часов в год. Этот показатель обычно используется для сравнения расчетных или эксплуатационных показателей грозоупорности ВЛ, различающихся по конструктивному выполнению и классу номинального напряжения;

• удельное число грозовых отключений на 100 км и один год эксплуатации . Этот показатель удобен, например, для сопоставления грозоупорности ВЛ в одной энергосистеме;

• абсолютное число грозовых отключений Nг, рассчитанное на фактическую длину ВЛ (L) и фактическую интенсивность грозовой деятельности, т.е. число грозовых отключений за анализируемый период, отнесенное к продолжительности этого периода в годах. Этот показатель необходим, например, при выборе средств грозозащиты или при сопоставлении расчетных и эксплуатационных показателей грозоупорности.

 

7.1. Влияние конструктивных параметров ВЛ на показатели ее грозоупорности

 

Взаимосвязь показателей грозоупорности и конструкции ВЛ наиболее ярко проявляется для ВЛ напряжением 110 кВ и выше, выполненных на металлических и железобетонных опорах и защищенных тросом.

7.1.1. На ВЛ, защищенной тросом, возможны грозовые отключения от ударов в опору (nоп), трос (nтр) и прорыва молнии на провода (nпр). При ударе в опору возникают обратные перекрытия линейной изоляции из-за перенапряжений, возникающих при протекании тока молнии по опоре. По последствиям для изоляции к этой категории относятся и удары в прилегающие к опоре участки троса. При ударе молнии в трос в средней части пролета возникают перенапряжения на воздушном промежутке трос-провод и, после пробега по пролету и стекании тока молнии по опоре, на линейной изоляции. Расстояние между тросом и проводом в середине пролета по вертикали нормируется ПУЭ по условиям грозозащиты в зависимости от длины пролета (п. 2.5.66): до и после прихода в точку удара волны перенапряжений, отраженной от опоры с противоположным знаком, напряжение на воздушном промежутке не должно достигать его пробивного значения, поэтому число грозовых отключений от ударов молнии в средней части пролета (nтр) рассчитывается, как правило, по вероятности обратного перекрытия линейной изоляции на опоре. Оценка числа грозовых отключений от перекрытий воздушного промежутка при ударах в трос (ns) может оказаться необходимой в некоторых специальных случаях: при отступлении от требований ПУЭ, при разработке новых конструкций опор и т.д. Алгоритм расчета ns дан в Приложении 20 применительно к переходному пролету ВЛ. Методика расчета отдельных составляющих общего числа грозовых отключений (поп, nтр, и nпр) приведена в Приложении 17.

7.1.2. Критические значения тока молнии, приводящие к перекрытию линейной изоляции, при прорывах молнии на провода невелики: изоляция ВЛ 110-330 кВ перекрывается при амплитуде тока молнии от 3 до 10 кА и выше, для изоляции ВЛ 500-1150 кВ опасен ток молнии от (15-35) кА. Практически каждый удар молнии в провод ВЛ 110 кВ вызывает перекрытие изоляции, опасными при прорывах молнии на провода ВЛ 1150 кВ являются 30-40% разрядов молнии. Таким образом, высокая импульсная прочность линейной изоляции ВЛ 500-1150 кВ не обеспечивает их грозоупорности при прорывах молнии на провода.

7.1.3. Обратные перекрытия возникают при значительно большей амплитуде тока молнии. Например, изоляция ВЛ 110 кВ перекрывается при ударах молнии в опору с током, достигающим нескольких десятков килоампер. При удалении точки удара молнии от опоры к середине пролета вероятность обратного перекрытия изоляции уменьшается из-за распределения тока молнии между двумя опорами, снижения крутизны тока за счет потерь на импульсную корону при пробеге по тросу и удаленности канала молнии.

7.1.4. Вероятность прорыва молнии на провода зависит от числа и расположения тросов относительно проводов (угла защиты a и превышения троса над проводом Dh) и высоты опоры hоп. Эффективность тросовой защиты от прорывов возрастает с уменьшением hоп и a и увеличением Dh. На ВЛ 500-1150 кВ вероятность прорыва молнии на провода может возрастать под влиянием рабочего напряжения проводов, способствующего возникновению и прорастанию встречного лидера.

7.1.5. Распределение ударов молнии между опорой и тросом в пролете зависит от соотношения высоты опоры и длины пролета. При увеличении длины пролета уменьшается доля ударов молнии в опоры, т.е. ударов с повышенной вероятностью обратного перекрытия.

7.1.6. На вероятность обратного перекрытия изоляции влияют следующие конструктивные параметры ВЛ:

• импульсная прочность линейной изоляции, зависящая от класса номинального напряжения ВЛ. Эта зависимость выражена значительно сильнее, чем при прорывах молнии на провода, так как с ростом импульсной прочности значения опасных для изоляции амплитуд тока молнии изменяются от десятков килоампер (для ВЛ 110 кВ), имеющих вероятность появления (0,3-0,4), до сотен килоампер (для ВЛ 500 кВ и выше) - с вероятностью появления 0,05 и менее;

• тип и размеры опоры (с увеличением высоты опоры возрастает поражаемость ВЛ разрядами молнии и увеличивается индуктивность опоры; одностоечные железобетонные и стальные опоры имеют большую индуктивность, чем портальные или опоры с оттяжками; наибольшую индуктивность на единицу длины имеют одностоечные железобетонные опоры, но такие опоры обычно имеют меньшую высоту);

• тросовая защита (подвеска троса за счет электростатического экранирования снижает разность потенциалов на линейной изоляции и уменьшает долю тока молнии, стекающего по опоре, что способствует снижению падения напряжения на индуктивности и сопротивлении заземления опоры; эффективность тросов возрастает при увеличении числа тросов, разнесении их на большее расстояние по горизонтали и приближении к проводам по вертикали);

• сопротивление заземления опоры (уменьшение значений сопротивления заземления Rз приводит к снижению перенапряжений на изоляции ВЛ; меньшие значения Rз необходимо обеспечить на ВЛ, выполненных на одностоечных опорах, имеющих более высокую поражаемость разрядами молнии и большую индуктивность опор. Наиболее жесткие требования следует предъявлять к Rз для ВЛ 110 кВ, выполняемых в настоящее время исключительно на одностоечных опорах и имеющих сравнительно невысокую импульсную прочность линейной изоляции).

7.1.7. Соотношение числа отключений из-за обратных перекрытий (nоп + nтр) и прорывов nпр зависит от класса номинального напряжения Uн и конструкции ВЛ (типа опоры, числа и расположения тросов, сопротивления заземления). С ростом uн и повышением импульсной прочности линейной изоляции повышается общая грозоупорность ВЛ и снижается доля отключений от обратных перекрытий.

 

7.2. Влияние природно-климатических условий и особенностей трассы

на показатели грозоупорности ВЛ

 

7.2.1. Основными природно-климатическими характеристиками, влияющими на показатели грозоупорности ВЛ, являются интенсивность грозовой деятельности, статистическое распределение амплитуды тока молнии и электрофизические характеристики грунтов в районе прохождения трассы ВЛ (удельное сопротивление, диэлектрическая проницаемость и пробивная электрическая прочность грунта).

В настоящее время объем накопленных регистрации амплитуд тока молнии I недостаточен для построения статистических распределений I для регионов с различными природно-климатическими условиями, поэтому в практических методиках расчета учтена только зависимость статистического распределения от высоты опор ВЛ. Учет региональных особенностей грунтов обычно производится на стадии проектирования ВЛ по материалам вертикального электрозондирования.

7.2.2. На показатели грозоупорности могут влиять такие особенности трассы ВЛ, как прохождение ВЛ в одном коридоре с другими ВЛ, в том числе и на более высоких опорах, или экранировка ВЛ городской застройкой и лесным массивом. Во всех указанных случаях поражаемость ВЛ разрядами молнии уменьшается по сравнению с ВЛ, проходящей по открытой местности. Поражаемость разрядами молнии каждой из двух одинаковых ВЛ, идущих в одном коридоре, составляет около половины поражаемости отдельно идущей ВЛ.

Показатели грозоупорности экранируемых ВЛ улучшаются также за счет более благоприятного статистического распределения амплитуды тока молнии разрядов, поражающих ВЛ: опасные для линейной изоляции разряды с большими значениями I, ориентирующиеся на наземные объекты с больших высот, поражают преимущественно близко расположенные к ВЛ высокие объекты (здания городской застройки или лесной массив). Указанные обстоятельства могут быть причиной значительного расхождения расчетных и эксплуатационных показателей грозоупорности из-за невозможности учета в существующих методиках таких особенностей трассы ВЛ.

Например, по данным обработки опыта эксплуатации отношение числа грозовых отключений ВЛ 110-220 кВ. экранируемых лесом и идущих по открытой местности, характеризуется следующими значениями:

 

Опора:

ВЛ с тросом

ВЛ без троса

портальная

0,50

0,40

одностоечная одноцепная

0,70

0,60

одностоечная двухцепная

0,75

0,70

 

7.3. Эксплуатационные показатели грозоупорности ВЛ 110-750 кВ

 

В настоящее время опыт эксплуатации ВЛ 110-750 кВ характеризуется следующими удельными показателями по числу отключений (табл. 7.1*): nобщ - число отключений по всем причинам;  - число грозовых отключений. Большой разброс эксплуатационных показателей грозоупорности ВЛ 110-330 кВ по регионам является следствием местных условий по уровню грозовой деятельности и характеристикам грунта, а также различий в конструкции опор.

___________

* За исключением некоторых ВЛ 330 кВ, опыт эксплуатации относится к ВЛ, проходящим в районах с хорошими грунтами.

 

Таблица 7.1

 

Эксплуатационные показатели ВЛ 110-750 кВ по отключениям

(на 100 км и 1 год эксплуатации)

 

Uн, кВ

Число отключений на 100 км и 1 год эксплуатации

Доля грозовых отключений, %

nобщ

Пределы изменения

Среднее

Пределы изменения

Среднее

Пределы изменения

Средняя

110

3,5-14,4

9,0

0,33-2,3

1,0

4,5-22,5

12

220

1,3-5,8

3,0

0,03-1,2

0,45

1,2-30,0

15

330

0,4-3,0

2,0

0,10-0,66

0,20

4,3-51,1

10

500

 

0,6

 

0,08

 

15

750

 

0,24

 

0,07

 

30

 

7.4. Средства грозозащиты воздушных линий

 

В качестве основных средств грозозащиты ВЛ используются:

• подвеска заземленных тросов,

• снижение сопротивления заземления опор,

• повышение импульсной прочности линейной изоляции,

• защита отдельных опор и участков с ослабленной изоляцией,

• ограничители перенапряжений (ОПН).

Резервным средством повышения надежности и бесперебойности работы ВЛ является автоматическое повторное включение (АПВ), в особенности быстродействующее (БАПВ) и однофазное (ОАПВ). Коэффициент успешности АПВ при грозовых отключениях, по данным опыта эксплуатации, для ВЛ 110-500 кВ составляет в среднем 0,6-0,8, а для ВЛ 750 и 1150 кВ — 0,8-0,9. АПВ позволяет частично компенсировать низкую грозоупорность ВЛ при трудностях устройства хороших заземлений и т.п. Однако применение АПВ не должно исключать использование основных средств грозозащиты, так как к.з. снижают ресурс оборудования ПС.

7.4.1. Подвеска заземленных тросов позволяет уменьшить в сотни раз число ударов молнии непосредственно в провода, представляющих наибольшую опасность для изоляции ВЛ: в этом случае гирлянды ВЛ 110-1150 кВ перекрываются при небольших токах молнии (от нескольких килоампер до 30 кА).

Расположение тросов относительно проводов должно обеспечить наибольшую эффективность тросовой защиты при преобладающем для данной ВЛ типе грозовых отключений (прорывы или обратные перекрытия, см. п. 7.1.7). В первом случае снижение вероятности прорыва достигается уменьшением угла защиты троса (тросов), в том числе подвеской тросов с отрицательным углом защиты, и увеличением расстояния между тросом и проводом по вертикали. Во втором случае вероятность обратного перекрытия уменьшается при увеличении числа тросов, разнесении их на большее расстояние, в том числе при подвеске части тросов под проводами. Перечисленные мероприятия способствуют уменьшению импульсного тока через опору и усиливают электростатическое экранирование проводов тросами.

7.4.2. На ВЛ, ранее выполненных на деревянных опорах, трос подвешивался только на подходах к ПС, так как грозоупорность ВЛ на деревянных опорах без троса достаточно высока (грозовые отключения происходят только при междуфазном перекрытии по двум гирляндам и участку траверсы). В процессе эксплуатации грозоупорность и надежность ВЛ резко снижаются из-за расщепления и загнивания стоек и траверс, что требует больших трудозатрат на ремонт ВЛ. Для нового электросетевого строительства рекомендуются только комбинированные деревянные опоры (с грозозащитным тросом - одним или двумя, стальными траверсами, железобетонными фундаментами и стальным заземляющим спуском - разработка НИИПТ); у ВЛ с такими опорами грозоупорность и надежность примерно те же, что у ВЛ со стальными и железобетонными опорами.

7.4.3. Применение грозозащитного троса на ВЛ 6-35 кВ малоэффективно из-за низкой импульсной прочности линейной изоляции и, соответственно, высокой вероятности обратного перекрытия при ударе в опору и трос.

7.4.4. Для снижения потерь энергии от индуктированных в тросах токов, а также для использования тросов в качестве канала высокочастотной связи или в целях емкостного отбора мощности грозозащитный трос крепится к опоре на изоляторах, снабженных шунтирующими искровыми промежутками. При разряде молнии искровые промежутки пробиваются уже во время развития лидерного канала, и в стадии главного разряда трос работает как заземленный наглухо.

7.4.5. Снижение сопротивлений заземления опор ВЛ с тросом является одним из основных средств уменьшения вероятности импульсного перекрытия изоляции при ударе молнии в трос или опору. Исключением являются ВЛ или участки на очень высоких опорах (переходы через реки и т.п.), грозоупорность которых в значительной мере определяется индуктивностью опор.

7.4.6. В тех случаях, когда не удается осуществить низкое сопротивление заземления опор, тросовая защита может оказаться малоэффективной, так как большинство ударов молнии в трос или опору будет приводить к перекрытиям изоляции.

7.4.7. Сопротивление заземления металлических и железобетонных опор на ВЛ без троса должно быть по возможности низким. Это способствует уменьшению вероятности перекрытия изоляции при ударах в опору и уменьшению вероятности перехода однофазных перекрытий в многофазные при ударах молнии в опоры и провода.

7.4.8. В обычных грунтах с удельным сопротивлением не более 100-300 Ом×м выполнение заземлений опор с достаточно низким сопротивлением не вызывает больших трудностей и их стоимость невысока. В сухих песчаных и скальных грунтах для этого приходится применять глубинные вертикальные заземлители, достигающие хорошо проводящих слоев грунта, или горизонтальные (лучевые) заземлители длиной до 60 м. Применение сплошных противовесов, проложенных в земле от опоры к опоре, часто неэкономично, так как даже в грунтах высокого удельного сопротивления большая часть импульсного тока стекает с противовеса в землю на участке 60-100 м от опоры. Прокладка параллельных лучей нецелесообразна из-за снижения коэффициента их использования вследствие взаимного экранирования. При применении двух лучей их следует направлять в противоположные стороны вдоль оси ВЛ. Электромагнитная связь между проводами ВЛ и лучами в земле не оказывает существенного влияния на эффективность заземлителя.

Для повышения грозоупорности ВЛ, проходящих в районах с высоким удельным сопротивлением грунта, по совокупности факторов (трудности прокладки, повреждаемость в эксплуатации, низкая эффективность при стекании тока молнии) можно увеличить число тросов (с подвеской одного или двух из них под проводами).

7.4.9. Импульсная прочность изоляции ВЛ с тросом определяется типом изоляторов, длиной гирлянды, длиной воздушных промежутков на опоре и промежутка трос-провод в пролете. Тип изоляторов и длина гирлянды для ВЛ всех классов напряжения выбираются не по соображениям грозозащиты, а по рабочему напряжению. Увеличение длины гирлянды и скоординированных с ней воздушных промежутков на опоре повышает капитальные затраты и практически не используется как средство грозозащиты.

7.4.10. Изоляцию очень высоких переходных опор, выбранную по рабочему напряжению, рекомендуется усиливать на 15%. Эта мера позволяет компенсировать накапливаемые в эксплуатации поврежденные изоляторы и исключить проведение труднодоступных профилактических и ремонтных работ по замене изоляторов на переходных опорах в течение 25 лет.

7.4.11. Грозоупорность ВЛ 6-35 кВ на железобетонных и металлических опорах существенно повышается при использовании для подвески нижних проводов изоляционных траверс из пластических материалов.

7.4.12. Особое внимание уделяется защите опор с ослабленной изоляцией. На ранее построенных ВЛ с деревянными опорами без троса к ним относятся: отдельные металлические или железобетонные опоры; опоры, ограничивающие тросовый подход к ПС; опоры отпаек, подключенных через трехполюсные разъединители, скомплектованные на металлической раме; транспозиционные опоры. К ослабленной изоляции относятся также воздушные промежутки, образующиеся при пересечении воздушных линий между собой.

При наличии на трассе опор с ослабленной изоляцией грозоупорность ВЛ снижается вследствие увеличения вероятности перекрытия ослабленной изоляции при ударе молнии в такую опору и от волн атмосферных перенапряжений, набегающих на нее с прилегающих участков трассы с нормальной изоляцией.

Защита опор с ослабленной изоляцией ранее осуществлялась с помощью трубчатых разрядников, обеспечивающих гашение дуги после импульсного перекрытия. Недостатком трубчатых разрядников является нестабильность их характеристик, что нередко приводит к развитию аварий при отказе и разрушении разрядников. Обслуживание трубчатых разрядников трудоемко. Более перспективно использование ОПН. Опоры с ослабленной изоляцией могут защищаться также специально предусмотренными искровыми промежутками.

7.4.13. Грозозащита пересечений ВЛ между собой и с линиями электрифицированного транспорта и связи обеспечивается соблюдением нормированных расстояний по воздуху. Кроме того, на ВЛ с деревянными опорами и АПВ для ограничения амплитуды перенапряжений применялись разрядники или искровые промежутки, установленные на опорах, ограничивающих пролет пересечения. В настоящее время более удобны ОПН (см. п. 7.4.14).

7.4.14. Дополнительным средством повышения грозоупорности ВЛ могут служить ОПН, устанавливаемые непосредственно на опорах ВЛ. Применение ОПН на ВЛ наиболее эффективно в следующих случаях:

• на одной из цепей двухцепной ВЛ, что практически полностью предотвращает грозовые отключения одновременно двух цепей;

• при высоком сопротивлении заземления опор;

• на высоких опорах, например, на переходах через водные преграды.

При этом ОПН могут устанавливаться либо на всех фазах каждой опоры, либо на части опор или только на одной или двух фазах.

 

РАЗДЕЛ 8. Выбор средств грозозащиты ВЛ 110 кВ и выше

 

8.1. Оценка грозоупорности ВЛ 110-750 кВ по справочным кривым

 

8.1.1. В Приложении 23 представлены справочные кривые, построенные по результатам расчета на ЭВМ грозоупорности ВЛ 110-750 кВ на металлических и железобетонных опорах, вошедших в унификацию опор, разработанную Институтом "Энергосетьпроект" в течение 1968-1984 г.г., а также для типовых опор, разработанных после появления этой унификации и выпускаемых заводами. Схемы опор и необходимая для пользования справочными кривыми информация даны в табл. 8.1. в которой указаны: шифр опоры, выбранной в качестве расчетного варианта для данной конструкции опор (промежуточная без подставки); расчетная длина пролета Iпрол, равная 0,89 среднего значения габаритного пролета; номер таблицы с информацией для расчета сопротивления заземления опор; номер рисунка с результатами расчета удельного числа грозовых отключений ВЛ на 100 км и 100 грозовых часов nг. Расчеты выполнены по методике, изложенной в Приложениях 17 и 18, соответственно, для ВЛ с тросом и без троса.

8.1.2. Зависимости nг от сопротивления заземления Rз (от 1 до 100 Ом) даны для трех конструкций изоляционных подвесок с длиной разрядного пути по гирлянде изоляторов lразр, в пределах:

 

Uн, кВ

110

150

220

330

500

750

lразр, м

1,0-1,3

1,3-1,5

1,8-2,2

2,7-3,2

3,2-4,7

5,1-7,0

 

В качестве базовых использованы изоляторы нормального исполнения типа ПС70Б и ПС120Б со строительной высотой Низ = 0,127 м. Варианты lразр = nизНиз, где nиз - число изоляторов в гирлянде, выбраны по следующим условиям *:

____________

* В случаях совпадения lразр, по этим условиям для получения серии кривых nг длина lразр выбиралась по дополнительным соображениям (см. Приложение 23).

 

1) наименьшего допустимого ПУЭ-98 (п. 2.5.14. табл. 2.5.19) изоляционного расстояния по воздуху от токоведущих до заземленных частей опоры;

2) по рекомендациям "Инструкции по выбору изоляции электроустановок" РД 34.51.101 для районов с I и II степенью загрязненности атмосферы:

3) после введения в гирлянды дополнительных изоляторов для обеспечения 25-летнего безремонтного периода эксплуатации линейной изоляции.

8.1.3. Удельное число грозовых отключений для ВЛ с тросом разделено на составляющие: от обратных перекрытий при ударе в опору и в трос nоп + nтр**; от прорывов на провод nпр. В последнем случае расчетные зависимости представляют горизонтальные прямые.

____________

** Расчеты nоп + nтр для справочных кривых выполнены при фиксированных значениях Rз, т.e. без учета влияния искрообразования на значение сопротивления заземления и конечный результат расчета грозоупорности (nг). Влияние этого фактора на показатели грозоупорности ВЛ 110-330 кВ различного конструктивного исполнения анализируется в Приложении 25

 

Для ВЛ без троса приведены зависимости общего удельного числа грозовых отключений nг от Rз и составляющей от прорывов молнии на провода nпр.

Для ВЛ на двухцепных опорах кроме удельного числа грозовых отключений на две цепи приведено удельное число грозовых отключений одновременно двух цепей nг.2ц (без разделения на составляющие).

 

Таблица 8.1

 

Состав исходных данных для расчета показателей грозоупорности ВЛ 110-750 кВ на

унифицированных и типовых опорах: шифр опоры (расчетная длина пролета), номер

таблицы к расчету сопротивления типового заземлителя, номер рисунка справочных

кривых удельного числа грозовых отключений

 

Класс напряжения, кВ

Стальные опоры

110

П 110-5 B

(235 м)

табл. П15.6, рис. П23.1

-

П 110-2 B

(300 м)

табл. П15.6, рис. П23.2

-

-

-

-

150

П 150-1 B

(300 м)

табл. П15.6, рис. П23.5

-

П 150-2 B

(300 м)

табл. П15.6, рис. П23.6

-

-

-

-

220

П 220-3 (400 м) табл. П15.6

рис. П23.10

П 220-3Т

(400 м)

табл. П15.6, рис. П23.11

П 220-2 (365 м) табл. П15.6, рис. П23.12

П 220-2Т (365 м) табл. П15.6. рис. П23.13

П 220-5 (400 м) табл. П15.6, рис. П23.14

-

-

330

П 330-3 (415 м) табл. П15.6. рис. П23.19

П 330-3Т (415 м) табл. П15.6, рис. П23.20

П 330-2 (345 м) табл. П15.6, рис. П23.21

П 330-2Т (345 м) табл. П15.6. рис. П23.22

-

П 330-9 (380 м) табл. П15.7, рис. П23.23

-

500

-

-

-

-

-

ПБ-1

(395 м) табл. П15.7, рис. П23.26

P1 (360 м) табл. П15.8, рис. П23.27

750

-

-

-

-

-

ПП 750-1 (385 м) табл. П15.7, рис. П23.21

-

Класс напряжения, кВ

Железобетонные опоры

Одностоечные

Портальные

Одноцепные

Двухцепные

110

ПБ 110-1

(255 м) табл. П15.9, рис. П23.3

ПБ 110-2 (220 м) табл. П15.9, рис. П23.4

-

-

-

-

-

150

ПБ 150-1 (205 м) табл. П.15.9, рис. П23.7

ПБ 150-2 (190 м) табл. П15.9, рис. П23.8

ПСБ 150-1 (275 м) табл. П15.10, рис. П23.9

-

-

-

-

220

ПБ 220-1 (235 м) табл. П15.9, рис. П23.15

-

ПСБ 220-1 (275 м) табл. П15.10, рис. П23.16

-

ПБ 220-4 (275 м) табл. П15.10, рис. П23.17

ПБ 220-12 (345 м) табл. П15.10, рис. П23.18

-

330

-

-

ПБ 330-7 (350 м) табл. П15.10, рис. П23.24

-

-

-

ПБ 330-4 (230 м)

табл. П15.10, рис. П23.25

500

-

-

ПБ 500-5Н (340 м) табл. П15.10, рис. П23.28

ПБ 500-1 (300 м) табл. П15.11, рис. П23.29

-

-

-

ПБ 500-3 (365 м) табл. (П15.11, рис. П23.30

750

-

-

ПБ 750-3 (385 м) табл. П15.10, рис. П23.32

-

-

-

-

 

8.1.4. Абсолютное число грозовых отключений ВЛ Nг, имеющей по трассе одинаковые конструктивные параметры (тип промежуточной опоры, число тросов, изоляцию), оценивается через удельное число грозовых отключений nг по соответствующему типу опоры и классу напряжения рисунку справочных кривых с учетом фактической интенсивности грозовой деятельности (Nг.ч, см. Приложение 13) и длины ВЛ L по формуле:

 

                                                          (8.1)

 

В качестве Rз принимается среднее из измеренных (рассчитанных) значений сопротивления заземления опор на промышленной частоте на трассе.

Если среди гирлянд, используемых при разработке справочных кривых, нет гирлянды с lразр, равной длине разрядного пути гирлянд на анализируемой ВЛ, необходимо по трем значениям nг для конкретного Rз построить дополнительную зависимость nг от lразр, по которой определить необходимое для формулы (8.1) значение nг. Для быстрой оценки nг возможна интерполяция внутри исходных справочных кривых.

8.1.5. Абсолютное число грозовых отключений неоднородной по трассе ВЛ (например, идущей участками на одноцепных и двухцепных опорах или имеющей участки без тросовой защиты и т.д.) определяется с привлечением удельных чисел отключений по нескольким рисункам справочных кривых через сумму абсолютных чисел грозовых отключений на отдельных участках ВЛ по формуле:

 

                                                     (8.2)

 

8.1.6. Удельное число грозовых отключений одной цепи двухцепной ВЛ, необходимое для подстановки в формулу (8.1) или (8.2), вычисляют по формуле:

 

nг.1ц = nг/2 + nг.2ц                                                         (8.3)

 

где nг и nг.2ц - удельное число грозовых отключений двухцепной ВЛ и одновременно двух цепей соответственно.

8.1.7. При существенном различии в расположении тросов относительно проводов на опорах анализируемой ВЛ и соответствующего варианта справочных кривых (по углу защиты a и смещению троса относительно провода по вертикали и горизонтали) и особенно в случаях, когда число отключений от прорывов nпр близко или превышает число отключений от обратных перекрытий, следует рассчитать вероятность прорыва молнии на провода для двух вариантов взаимного расположения троса и провода. После этого удельное число отключений от прорыва молнии на провода анализируемой ВЛ определяется по формуле:

 

                                                            (8.4)

 

где nпр - удельное число грозовых отключений от прорывов молнии на провода по справочным кривым; Рa и  - вероятность прорыва молнии на провода для ВЛ, используемой при разработке справочных кривых, и для анализируемой ВЛ, по формуле (П17.35).

Общее удельное число грозовых отключений анализируемой ВЛ для подстановки в формулу (8.1) или (8.2) вычисляют по формуле:

 

nг = (nоп + nтр) + .                                                     (8.5)

 

8.1.8. При оценке числа отключений nг действующих ВЛ учитываются особенности их трассы (например, прохождение ВЛ в одном коридоре с другими ВЛ или по лесному массиву). В этом случае полученное по формуле (8.1) значение nг следует умножить на коэффициенты, рекомендованные в п. 7.2.2.

 

8.2. Критерии выбора средств грозозащиты ВЛ 110 кВ и выше

 

8.2.1. Опыт эксплуатации (табл. 7.1) показывает, что грозовые отключения ВЛ в среднем составляют 10-20% от общего числа автоматических отключений по всем причинам. С ростом класса номинального напряжения число грозовых отключений уменьшается, но возрастает на фоне повышения общей надежности ВЛ доля грозовых отключений.

8.2.2. При выборе комплекса средств грозозащиты необходимо учитывать их эффективность для повышения надежности ВЛ в целом в конкретных природно-климатических условиях (например, подвеска троса на сильногололедных участках может приводить к снижению надежности ВЛ) и возможности технической реализации предлагаемых мероприятий (например, устройство заземлителей в скальных грунтах).

8.2.3. По совокупности природно-климатических условий, влияющих на грозоупорность ВЛ, и их ответственности, ВЛ разделяются на следующие категории.

А. ВЛ, проходящие в районах с умеренной грозовой деятельностью (Nг.ч £ 40 грозовых часов) и удовлетворительными характеристиками грунтов (r £ 1000 Ом×м). К этой категории относится большинство эксплуатируемых ВЛ в крупных энергосистемах, отключение которых, в том числе и с неуспешным АПВ, не приводит к перерыву энергоснабжения потребителей.

Б. ВЛ, проходящие в районах с повышенной грозовой активностью (Nг.ч > 40 грозовых часов) или с высокими удельными сопротивлениями грунтов (r > 1000 Ом×м).

В. Особо ответственные ВЛ: межсистемные связи; незарезервированные источники питания; двухцепные ВЛ, используемые в качестве независимых источников питания; ВЛ, отходящие от АЭС, практически все ВЛ 500 и 750 кВ и т.д.

8.2.4. Общим ориентиром для выбора средств грозозащиты может быть учет эксплуатационных показателей надежности ВЛ, достигнутых в конкретном регионе: общего удельного числа автоматических отключений nобщ; доли грозовых отключений bг; коэффициента успешности kАПВ.

8.2.5. Практическим критерием для определения допустимого числа грозовых отключений Nдоп.г и выбора средств грозозащиты ВЛ 110-330 кВ категорий А и Б является обеспечение готовности оборудования энергосистемы, а именно, соблюдение нормированной периодичности ремонта линейных выключателей. Методика расчета Nдоп.г по этому критерию дана ниже (подраздел 8.3).

8.2.6. Удельное число отключений ВЛ 110-330 кВ категории В должно быть, по крайней мере, вдвое меньше, чем других ВЛ в данном регионе. При отсутствии эксплуатационных показателей надежности по конкретному региону следует ориентироваться на усредненные значения общего числа автоматических отключений в табл. 7.1, введя в допустимое число отключений коэффициент запаса 0,5.

На ВЛ 110-330 кВ категории В должны быть реализованы все возможности по повышению их надежности и грозоупорности, в том числе и нетрадиционные (увеличение числа тросов, подвеска одного из них под проводами, усиление изоляции, установка ограничителей перенапряжений). Следует преимущественно использовать опоры с двумя тросами. Выбор комплекса средств грозозащиты таких ВЛ должен проводиться, как правило, индивидуально путем многовариантных расчетов с применением справочных кривых (Приложение 23) или использованием программы расчета грозоупорности ВЛ для ЭВМ.

8.2.7. При выборе средств грозозащиты вновь сооружаемых ВЛ 500 и 750 кВ следует ориентироваться на достигнутые эксплуатационные показатели по удельному числу грозовых отключений ( в табл. 7.1) без введения коэффициента запаса: в используемых в настоящее время опорах для этих ВЛ реализованы практически все возможности по созданию ВЛ повышенной грозоупорности (что подтверждает и опыт эксплуатации). Дополнительные возможности повышения грозоупорности ВЛ 500 и 750 кВ могут появиться только при освоении опор с отрицательным углом защиты троса.

8.2.8. Улучшение тросовой защиты актуально и для ВЛ 1150 кВ. Ожидаемое число грозовых отключений ВЛ 1150 кB в Северном Казахстане оценивается значением 0,4 на 100 км в год при работе на номинальном напряжении (при работе на пониженном до 500 кВ напряжении ВЛ 1150 кВ не должны отключаться). Объем опыта эксплуатации ВЛ 1150 кВ (с 1986 г. до 1995 г. включительно) составил 16,7 тыс. км×лет, в том числе при работе на номинальном напряжении 3 тыс. км×лет. За весь период эксплуатации ВЛ 1150 кВ отключались от грозы 21 раз. Основная причина отключений - прорывы молнии на провода в области анкерно-угловых опор. Повышение грозоупорности ВЛ 1150 кВ может быть обеспечено за счет использования промежуточных и анкерно-угловых опор с отрицательными углами защиты троса.

 

8.3. Допустимое число грозовых отключений ВЛ и выбор средств грозозащиты

по критерию коммутационного ресурса линейных выключателей

 

8.3.1. Абсолютное допустимое число грозовых отключений ВЛ по условию полного исчерпания коммутационного ресурса выключателя в межремонтный период рассчитывается по формуле

 

                                               (8.6)

 

где no - допустимое без ремонта выключателя количество отключений номинального тока к.з. (по ГОСТ 687-78 с изменениями № 2, табл. 4); тп.р - средний период планового ремонта выключателей, годы. При отсутствии уточняющих местных инструкций принимаются в соответствии с ПТЭ следующие значения Тп.р, для разных типов выключателей: масляных 6-8, воздушных 4-6, элегазовых 12 лет; bг - отношение числа грозовых отключений к общему числу автоматических отключений. При отсутствии соответствующих данных по опыту эксплуатации ВЛ в рассматриваемом регионе используются следующие усредненные показатели:

 

Uн, кВ

110

150

220

330

500

bг

0,10

0,11

0,13

0,15

0,25

 

kапв - коэффициент успешности АПВ при грозовых отключениях (по опыту эксплуатации ВЛ 110-550 кВ kапв = (0,64¸0,8); kB - коэффициент, учитывающий условия эксплуатации выключателя: длину ВЛ, значение тока к.з. в ближайшей к шинам подстанции точке ВЛ и изменение коммутационного ресурса выключателя при удалении точки к.з. от шин подстанции. Значения коэффициента для трех типов выключателей ВЛ 110-500 кВ, двух совокупностей значений токов к.з. в ближайшей к шинам подстанции точке на ВЛ - Iк.з, равному нормируемому ГОСТ 687-78 току отключения к.з. - I0 (15; 20; 31,5; 40; 50; 63 кА), а также для Iк.з = 0,5 I0 представлены в Приложении 28 сериями зависимостей коэффициента kВ от длины ВЛ (рис. П28.1-П28.4).

8.3.2. Практически выбор комплекса средств грозозащиты, обеспечивающий допустимое по коммутационному ресурсу выключателя число грозовых отключений, определенное по формуле (8.6), для ВЛ длиной L, проходящей в районе с интенсивностью грозовой деятельности Nг.ч, сводится к определению предельно допустимого значения сопротивления заземления Rз, так как в большинстве случаев конструкция опоры и, следовательно, количество и расположение тросов выбираются по другим соображениям.

Значение rз может быть определено с использованием справочных кривых Приложения 23 после перехода от абсолютного допустимого числа грозовых отключений Nдоп.г к предельному значению удельного числа грозовых отключений* nг.пред (на 100 км и 100 грозовых часов) по формуле:

 

                                                   (8.7)

 

В Приложении 26 описана процедура определения предельного допустимого значения Rз применительно к ВЛ на одноцепных и двухцепных опорах.

______________

* Справочные кривые построены для удельного числа грозовых отключений на 100 км и 100 грозовых часов.

 

8.3.3. Результаты определения Rз для унифицированных и типовых опор ВЛ 110-330 кВ (в соответствии с номенклатурой табл. 8.1) приведены в Приложении 24. В расчетах варьировались следующие природно-климатические, конструктивные и эксплуатационные характеристики ВЛ:

• тип выключателя: воздушный (Io = 31,5 кА, Тп.р = 6, no = 8);

масляный (Io = 20,0 кА, Тп.р = 8, no = 5);

• ток к.з. в ближайшей к подстанции точке ВЛ: Iк.з = Iо и Iк.з = 0,5 Iо;

• длина ВЛ - три значения в пределах длин, характерных для ВЛ 110-330 кВ:

 

Uн, кВ

L, км (расчетные значения)

110

20; 50; 100

150

20; 100; 160

220

40; 100; 200

330

60; 100; 300

 

• интенсивность грозовой деятельности: Nг.ч = 20; 40 и 80 грозовых часов;

• число изоляторов в гирлянде: по рекомендациям "Инструкции по выбору изоляции электроустановок" РД 34.51.101 для районов с I и II степенью загрязнения; с увеличенным числом изоляторов.

Коэффициент успешности АПВ принят одинаковым, kАПВ = 0,8.

Предельное значение Rз меняется в зависимости от Nдоп.г и уровня грозовой деятельности. Требования к Rз ужесточаются при использовании выключателей, допускающих меньшее число отключений токов к.з., при больших токах к.з. на шинах ПС, для ВЛ на металлических башенных опорах, в том числе с одним тросом, с ростом Nг.ч и увеличением длины ВЛ. Однако существует много вариантов сочетаний природно-климатических и эксплуатационных условий, допускающих значения Rз большие, чем регламентируемые в настоящее время ПУЭ**. Усиление изоляции позволяет ослабить требования к Rз, что может быть использовано как альтернативное средство грозозащиты на ВЛ 110-150 кВ и при трудностях устройства заземлителей.

_____________

** В ПУЭ-1998 (п. 2.5.75) требования к Rз определяются удельным сопротивлением грунта.

 

8.4. Определение области рационального использования унифицированных

и типовых опор для ВЛ 110-330 кВ различных категорий по грозозащите

 

Различие в числе грозовых отключений ВЛ 110-330 кВ, выполненных на опорах различной конструкции, но имеющих одинаковое сопротивление заземления в пределах (10-30) Ом, характеризуется следующими значениями кратностей по отношению к наименьшему nг в каждом классе номинального напряжения ВЛ (Приложение 24):

 

Uн, кВ

110

150

220

330

Различие в nг, кратность, число раз

1,5-2

2-3

3,5-6

3-4

 

Для каждой конструкции опор ВЛ 110-330 кВ существуют сочетания природно-климатических и эксплуатационных условий, при которых требуемые показатели грозоупорности могут быть обеспечены с наименьшими затратами на сооружение заземляющих устройств.

При определении границ рационального использования опор при сооружении ВЛ 110-330 кВ различных категорий по грозозащите необходимо исходить из следующего:

• опора может использоваться для сооружения ВЛ 110-330 кВ категории A (Nг.ч £ 40 грозовых часов и обычные грунты), если предельное значение Rз ³ 9 Ом*;

______________

* В зарубежной практике нормировано значение Rз = 8 Ом.

 

• ВЛ категории Б разделяются на две или три группы: умеренная грозовая деятельность и плохие грунты; повышенная грозовая активность и обычные грунты; повышенная грозовая активность и плохие грунты. В количественных показателях это выражается следующим образом:

 

Номер группы

Nг.ч, ч

Предельное значение Rз, Ом

1

£40

³30

2

>40

³9

3

>40

³30

 

• во всех случаях предельное значение Rз представляет среднее значение сопротивления заземления опор на трассе ВЛ.

В Приложении 27 по материалам табл. П26.1-П26.4 Приложения 26 представлены области применения унифицированных и типовых опор (табл. 8.1) для ВЛ 110-330 кВ категорий А и Б по грозозащите. Варианты по природно-климатическим, конструктивным и эксплуатационным характеристикам ВЛ те же, что в п. 8.3.3. Границы областей даны значениями Nг.ч, наибольшей возможной длиной ВЛ в конкретных условиях и допустимыми значениями Rз для наименьшей рассматриваемой и наибольшей возможной длины ВЛ.

Например, одноцепную башенную опору ВЛ 220 кВ с одним тросом рекомендуется использовать в следующих случаях (табл. П27.2).

 

Линейная изоляция 15ПС70Е**

_____________

** В соответствии с "Инструкцией по выбору изоляции электроустановок РД 34.51.101".

 

Линейный выключатель - воздушный

Iк.з = Iо

При Nг.ч £ 20 ч башенная опора с одним тросом может использоваться для сооружения ВЛ категории А во всем диапазоне длин от 40 до 200 км: на ВЛ длиной до 40 км можно допускать Rз £ 13 Ом; при L = 200 км только Rз £ 9 Ом.

Iк.з = 0,5 Iо.

При Nг.ч £ 20 ч допустимы большие значения сопротивления заземления (Rз £ 30 Ом) и появляется возможность использовать опору при 20 ч < Nг.ч £ 40 ч, если длина ее не превышает 75 км. В этом случае: при L = 40 км Rз £ 14 Ом, при L = 75 км Rз £ 9 Ом.

Линейный выключатель - масляный

Опора может использоваться только при Iк.з = 0,5 Iо и при невысокой грозовой активности (Nг.ч £ 20 ч) для ВЛ длиной до 50 км с Rз £ 9 Ом.

 

Линейная изоляция 17ПС70Е

Линейный выключатель - воздушный

Iк.з = Iо

Усиление изоляции позволяет повысить пределы по Rз до (17-13) Ом при Nг.ч £ 20 ч; появляется возможность использовать опору на коротких ВЛ (до 40 км) при 20 ч < Nг.ч £ 40 ч;

Iк.з = 0,5 Iо

Допускается повышение Rз до (36-20) Ом при Nг.ч £ 20 ч, расширяется допустимая длина ВЛ до наибольшей (200 км) при 20 ч < Nг.ч £ 40 ч при одновременном повышении предельных значений Rз. Появляется область использования опор в районах с повышенной грозовой активностью и обычными грунтами (категория Б, группа 1): при Nг.ч = 40 ч L до 200 км, при Nг.ч = 80 ч L до 50 км, при Rз, соответственно, (19-10) Ом и (10-9) Ом.

Линейный выключатель - масляный

По-прежнему возможно использование башенной опоры с одним тросом только при Iк.з = 0,5 Iо и Nг.ч £ 20 ч, но допустимая длина ВЛ увеличивается от 50 м до 130 м при одновременном повышении предельных значений Rз от (10-9) Ом до (14-9) Ом.

При подвеске двух тросов на одноцепной башенной опоре область ее применения значительно расширяется, в том числе и для ВЛ категории Б. При добавлении двух изоляторов в гирлянды опора с двумя тросами может использоваться в районах с плохими грунтами: при Nг.ч £ 20 ч и длине ВЛ от 40 до 200 км среднее значение Rз на линии может быть от 50 до 30 Ом.

Сооружение ВЛ в соответствии с рекомендациями Приложения 27 обеспечивает показатели грозоупорности ВЛ 110-330 кВ на уровне достигнутых в эксплуатации, так как допустимое число грозовых отключений по критерию коммутационного ресурса выключателей Nдоп.г, рассчитанное по формуле (8.6) для L = 100 км и реальных условий эксплуатации по типу и характеристикам выключателей, достаточно хорошо согласуется с удельным числом грозовых отключений по опыту эксплуатации при фактической грозовой деятельности (), а именно:

 

Uн, кВ

110

220

330

Nдоп.г (по формуле (8.6))

0,39-1,64

0,34-1,44

0,21-1,17

 по опыту эксплуатации, среднее (пределы изменения)

1,0 (0,33-2,3)

0,45 (0,03-1,2)

0,2 (0,10-0,66)

 

Предельные значения Rз в Приложениях 26 и 27 не являются заниженными, так как они определялись из справочных кривых удельного числа грозовых отключений nг (Приложение 28), рассчитанных без учета уменьшения сопротивления заземления за счет искрообразования в грунте при стекании тока молнии.

В перспективе, при широком внедрении элегазовых выключателей и накоплении опыта их эксплуатации может потребоваться пересмотр критериев выбора комплекса средств грозозащиты. При более высоком коммутационном ресурсе элегазовых выключателей надежность электроснабжения будет определяться готовностью других видов подстанционного оборудования, чувствительных к воздействию грозовых перенапряжений и токов к.з. от них (например, силовых трансформаторов).


РАЗДЕЛ 9. Защита станций и подстанций 6-1150 кB

от грозовых перенапряжений

 

9.1. Общие положения

 

Опасные грозовые воздействия на подстанционном оборудовании возникают при ударах молнии непосредственно в подстанцию (ПС), а также при поражениях ВЛ и приходе по ним на распределительное устройство (РУ) и ПС грозовых волн. Кроме того, для РУ 6 и 10 кВ опасны перенапряжения, индуктированные на токоведущих частях при ударах молнии в землю или другие объекты вблизи ВЛ или ПС.

Эффективность защиты от грозовых перенапряжений внутренней изоляции подстанционного оборудования должна быть значительно более высокой по сравнению с воздушной и линейной изоляцией ВЛ, так как внутренняя изоляция оборудования подстанций имеет небольшие запасы по отношению к импульсным испытательным напряжениям и не обладает свойством самовосстановления после грозового перекрытия.

Защита оборудования подстанций от прямых ударов молнии обеспечивается системой стержневых и тросовых молниеотводов. Для оценки эффективности грозозащиты изоляции оборудования, подвесной и воздушной изоляции на ПС от прямых ударов молнии применяется такой же качественный, но более жесткий количественный критерий, что и для ВЛ, т.е. ожидаемое число обратных перекрытий при ударах молнии в молниеотводы, а также от прорывов через систему молниезащиты. В качестве критерия используется среднее ожидаемое число лет безаварийной работы ПС при этих воздействиях Тп.у. Считается, что если Тп.у расчетно оценивается 500-3000 годами соответственно для ПС 35-1150 кВ, то грозозащита оборудования, подвесной и воздушной изоляции ПС надежно защищена от обратных перекрытий и прорывов на территории РУ.

Защита ПС от набегающих с ВЛ волн грозовых перенапряжений основана на выборе соответствующих защитных аппаратов (ОПН, разрядников), числа и места их установки на ПС с тем, чтобы обеспечить такое снижение воздействующих волн грозовых перенапряжений по амплитуде и крутизне, при котором в течение нормированного срока безаварийной эксплуатации Тн.в, не будут превышены допустимые значения перенапряжений для наиболее ответственного и дорогостоящего оборудования (трансформаторов, автотрансформаторов, шунтирующих реакторов и т.д.). Показатель надежности грозозащиты ПС 35-1150 кВ от набегающих волн Тн.в должен быть соответственно не менее 200-1500 лет.

 

9.2. Защита станций и подстанций от прямых ударов молнии

 

9.2.1. Для защиты подстанционного оборудования от прямых ударов молнии используется система молниеотводов. Требуемое количество и высота молниеотводов выбирается в соответствии с рекомендациями Приложения 29. При этом должны быть приняты меры по предотвращению обратных перекрытий с молниеотводом на токоведущие части РУ по воздуху и выноса высокого потенциала по земле.

Расчетное значение надежности защиты станций и ПС от прямых ударов молнии выбирают в зависимости от степени ответственности защищаемого объекта, от тяжести ущербов, возникающих при его поражении, интенсивности грозовой деятельности и пр. Наибольшая надежность грозозащиты должна обеспечиваться следующим объектам: ОРУ вместе с его шинными мостами и гибкими связями; зданиям машинного зала и ЗРУ; зданиям трансформаторной башни, маслохозяйства, нефтехозяйства, электролизной и ацетилено-генераторной станции; угледробилке, вагоноопрокидывателям, резервуарам с горючими жидкостями или газами; местам хранения баллонов с водородом; градирням и дымовым трубам. Электрические цепи 6 и 10 кВ, имеющие гальванические связи с генераторным напряжением, также защищаются от прямых ударов молнии.

9.2.2. Установка молниеотводов на зданиях ЗРУ не является обязательной. В случае выполнения кровли здания полностью из металла или применения металлических несущих конструкций достаточно заземлить металлические части кровли. Плоскую неметаллическую или железобетонную кровлю защищают наложением молниеприемной сварной сетки из стальной проволоки непосредственно на кровлю или под слой негорючего утеплителя или гидроизоляции. При этом для предотвращения нежелательной разности потенциалов между различными металлическими элементами здания (трубы, вентиляционные устройства, заземляющие спуски и пр.) они должны быть соединены между собой.

При использовании в качестве молниеприемной сетки стальной арматуры железобетонных плит кровли возможно щепление бетона. Этот способ грозозащиты зданий не рекомендуется в сильногрозовых районах. Защита зданий ЗРУ от прямых ударов экономически оправдана при интенсивности грозовой деятельности 20 грозовых часов в год и более. Число грозовых разрядов в сооружение Nс определяется по формуле

 

Nc = ро (ас + 2Rэкв)(bc + 2 Rэкв)×10-6,                                        (9.1)

 

где ро - плотность разрядов молнии на 1 км2 земной поверхности (принимается по рекомендациям подраздела 6.3 (Часть 3); ас, bc, hc - длина, ширина и высота сооружения, м; Rэкв - эквивалентная ширина, с которой сооружение собирает боковые разряды молнии, м:

при hc £ 30 м

при hc > 30 м Rэкв = 0,75 (hc + 90).

Здания с неметаллической или железобетонной кровлей допускается не защищать, если Nc < 0,05 в год.

Для предотвращения обратных перекрытий с заземляющих спусков и металлических конструкций здания на ошиновку и оборудование ЗРУ, а также на токоведущие части наружных вводов должны быть приняты меры по улучшению экранировки здания за счет увеличения числа заземляющих спусков, их объединения (на крыше и у фундамента) и уменьшения сопротивления заземляющего контура.

9.2.3. Для защиты ОРУ от прямых ударов молнии применяются стержневые и тросовые молниеотводы. Последние в основном используются для защиты ошиновки большой протяженности. Наиболее простым и дешевым решением является расположение молниеотводов на металлических конструкциях ОРУ и других высоких объектах. При такой схеме молниезащиты для ОРУ 35-150 кВ следует предусмотреть меры по предотвращению обратных перекрытий путем устройства дополнительного сосредоточенного заземлителя в месте входа тока молнии в землю. Для ОРУ 220 кВ и выше обратные перекрытия практически исключены.

При расчете вероятности обратного перекрытия следует учитывать, что портал с молниеотводами имеет более сложную конструкцию, чем отдельно стоящий молниеотвод (несколько стоек и молниеотводов) и располагается вблизи элементов ОРУ с различными уровнями изоляции. Контур заземления такого портала имеет сетчатую конструкцию с вертикальными заземляющими электродами.

9.2.4. Надежность защиты ОРУ станций и подстанций от прямых ударов молнии характеризуется числом случаев перекрытия изоляции при прорывах молнии через зону защиты молниеотводов и обратных перекрытий при ударах молнии в молниеотводы (для ОРУ 35-150 кВ) в год. Это число может быть определено по формуле

 

Nп.у = ро (ат + 2Rэкв) (bт + 2Rэкв) (hпрРaРпр + hоп Роп)×10-6,                       (9.2)

 

где ат, bт - длина и ширина территории ОРУ, м; Rэкв и ро - как в формуле (9.1); hпр, hоп - вероятность перехода импульсного перекрытия изоляции в силовую дугу, соответственно, при разрядах молнии в ОРУ, минуя молниеотводы, и при обратных перекрытиях (в расчетах принимается равной 0,9); Рa - вероятность грозового поражения ошиновки ОРУ, минуя молниеотводы (при использовании для выбора системы молниезащиты рекомендаций Приложения 29 указанная вероятность имеет значение 0,05 или 0,005); Роп - вероятность обратного перекрытия (может быть определена с помощью методов расчета обратных перекрытий, используемых для ВЛ); Рпр - доля опасных грозовых перенапряжений, возникающих при непосредственном грозовом разряде в ошиновку ОРУ, минуя молниеотводы (определяется с использованием методики Приложения 17 (формула (П17.30)).

Наряду со значением Nп.у в качестве показателя надежности ПС используется обратная величина

 

                                                             (9.3)

 

которая характеризует среднюю повторяемость (в годах) опасных перенапряжений на ПС из-за грозовых разрядов непосредственно в ЗРУ или ОРУ.

Система молниезащиты ПС должна обеспечить в зависимости от класса ее номинального напряжения тп.у не ниже следующих значений:

Uн, кВ

35

110

220

330

500

750

1150

тп.у

500

700

1000

1500

2000

2500

3000

Если при установке молниеотводов на конструкциях ОРУ необходимая грозоупорность не может быть достигнута или порталы не рассчитаны на установку молниеотводов, грозозащиту следует выполнять отдельно стоящими молниеотводами с обособленными заземлителями, которые при хороших грунтах допускается подключать к контуру заземления подстанции. Сопротивление заземления молниеотвода при этом определяется сопротивлением заземления части контура подстанции в радиусе 20 м от места присоединения к нему заземляющего спуска молниеотвода.

Расстояние по воздуху lb от отдельно стоящего молниеотвода с обособленным заземлителем до токоведущих частей ОРУ, а также до ЗРУ, зданий и сооружений должно удовлетворять условиям:

 

LB ³ (0,12Rз +0,1HU); и LB ³ 5 м,                                            (9.4)

 

где НU - высота до точки возможного перекрытия над уровнем земли, м.

9.2.5. В грунтах с низкой проводимостью соединение заземлителя отдельно стоящего молниеотвода с контуром подстанции не допускается. Для предотвращения выноса высокого потенциала расстояние Lз между обособленным заземлителем отдельно стоящего молниеотвода и ближайшей к нему точкой заземляющего контура подстанции, ЗРУ, зданий и сооружений следует определять из условий:

 

Lз ³ 0,2Rз и Lз ³ 3 м,                                                       (9.5)

 

где Rз - сопротивление заземления отдельно стоящего молниеотвода, значение которого должно быть не более 40 Ом.

При этом тросовая защита ВЛ не должна соединяться с порталами ОРУ: последний пролет ВЛ следует защищать отдельно стоящими молниеотводами.

9.2.6. При установке на конструкциях с молниеотводами, имеющими обособленные заземлители, светильников, радиоантенн или электрооборудования напряжением до 1000 В необходимы мероприятия по защите цепей электропроводки от грозовых повреждений, выноса высокого потенциала на контур заземления ОРУ и в цепи вторичной коммутации. Электропроводку рекомендуется прокладывать в металлической трубе на всем протяжении от электрооборудования на конструкции с молниеотводом до места присоединения к контуру заземления ОРУ и ввода в кабельный канал. Расстояние в земле от спуска трубы в землю до места присоединения к заземляющему контуру ОРУ (Lт, м) должно удовлетворять условиям:

 

Lт ³ 0,6Rз и Lт ³ 10 м,                                                     (9.6)

 

Для увеличения скорости спада грозового перенапряжения вдоль трубы на ней рекомендуется устанавливать ряд вертикальных заземляющих электродов. В месте ввода в кабельный канал трубу с кабелем следует присоединить к контуру заземления ОРУ и соединить с оболочками других кабелей. По концам кабеля идущего от конструкции с молниеотводом, во взрывоопасных помещениях рекомендуется устанавливать защитные аппараты - ОПН.

 

9.3. Защита станций и подстанций от набегающих грозовых волн

 

На подходе к ПС грозовые волны возникают при прорыве молнии на провода или при обратных перекрытиях линейной изоляции при ударах молнии в опоры (тросы). Амплитуда грозовых волн в точке удара при прорывах молнии на провода ограничена импульсной прочностью линейной изоляции, а при обратных перекрытиях зависит от момента перекрытия (на фронте или хвосте волны) и падения напряжения на сопротивлении заземления и индуктивности опоры. При прорывах на проводах могут появляться срезанные и полные волны. Полные волны более опасны, так как срезанные быстрее затухают за счет потерь энергии на импульсную корону. При обратных перекрытиях на проводах возникают волны с отвесным фронтом, опасные для междувитковой внутренней изоляции трансформаторов (автотрансформаторов) и реакторов.

При воздействии набегающих с ВЛ волн атмосферных перенапряжений схема РУ ведет себя, как сложный колебательный контур, в котором подстанционное оборудование участвует своими входными емкостями, а ошиновка - отрезками длинной линии с распределенными параметрами. Значения входных емкостей подстанционного оборудования и рекомендации по составлению расчетной схемы замещения распределительного устройства приведены в Приложении 30. В отдельных случаях, например, при расчете грозоупорности схем с вращающимися машинами, последние более правильно представлять не только входной емкостью, но и моделировать обмотку машины входным сопротивлением или отрезком длинной линии с распределенными параметрами. Волновые сопротивления обмоток, особенно мощных вращающихся машин, невелики (50-100 Ом), что существенно снижает воздействующие перенапряжения. Силовые трансформаторы представляются входной емкостью и отрезком длинной линии, замещающим обмотку. Однако волновое сопротивление обмотки обычно составляет несколько тысяч Ом и поэтому слабо снижает амплитуду колебательного импульса. Представление силового трансформатора входной емкостью, несколько увеличивает расчетные грозовые перенапряжения на нем. При анализе схем грозозащиты мощных силовых трансформаторов должны быть учтены волновые свойства обмотки путем использования частотно-зависимых характеристик обмоток, предварительно полученных расчетным или экспериментальным путем.

При переходном процессе в сложном колебательном контуре ПС в отдельных ее точках могут появляться перенапряжения, превышающие импульсную прочность изоляции оборудования. Задача грозозащиты ПС состоит в снижении значений перенапряжений на ПС за счет использования защитных аппаратов с нелинейными вольтамперными характеристиками (ограничителей перенапряжений или вентильных разрядников) и уменьшения числа опасных набегающих волн путем повышения грозоупорности ВЛ на подходе к ПС.

Старые методики и рекомендации по выбору типа, количества и места установки защитных аппаратов, а также длины защищенного подхода основывались на понятии "опасной зоны". Длина "опасной зоны" соответствовала предельной длине участка ВЛ на подходе к ПС, после пробега которого полная волна с отвесным фронтом максимальной возможной амплитуды в результате деформации из-за потерь энергии на импульсную корону становилась безопасной для изоляции подстанционного оборудования. Описание этого метода дано в подразделе 9.6.

Современные методы расчета грозозащиты ПС основаны на учете статистических распределений параметров импульсов атмосферных перенапряжений в точке их возникновения и вероятности поражения разрядами молнии отдельных участков ВЛ на подходе к ПС. Критерием выбора схемы грозозащиты ПС является повторяемость опасных перенапряжений в точках присоединения наиболее ответственного оборудования ПС (трансформаторов, автотрансформаторов и шунтирующих реакторов). (См. подраздел 9.7).

 

9.4. Средства защиты РУ от набегающих грозовых волн

 

9.4.1. Средства грозозащиты и требуемая длина защищенного тросом подхода, определяемая затуханием волн при распространении по проводам за счет импульсной короны и потерь в земле, зависят от класса номинального напряжения ВЛ и схемы ПС. Наиболее опасные воздействия на изоляции ПС возникают при ударах молнии в ближайшие опоры и прорывах на провода в первых пролетах.

Комплекс средств грозозащиты ВЛ на подходе к ПС в зависимости от класса номинального напряжения должен выбираться с учетом рекомендаций подраздела 7.1 в части влияния конструктивных параметров ВЛ 110-750 кВ на показатели их грозоупорности и с использованием справочных кривых по удельному числу грозовых отключений ВЛ 110-750 кВ на унифицированных опорах (Приложение 23), а для ВЛ 6-35 кВ с учетом рекомендаций Приложения 22.

9.4.2. Основным средством снижения перенапряжений на изоляции электрооборудования РУ являются ОПН. Защитные характеристики ОПН, выпускаемых различными фирмами, даны в Приложении 4. Необходимое количество и схема расстановки ОПН определяются на основании расчета грозозащиты ПС. Примеры расчета грозозащиты ПС даны в Приложениях 32 и 33.

Все силовые трансформаторы, автотрансформаторы и шунтирующие реакторы 330 кВ и более высокого напряжения должны защищаться ОПН от грозовых и коммутационных перенапряжений.

 

9.5. Координация импульсной прочности изоляции подстанционного

оборудования с защитными характеристиками ОПН

 

9.5.1. На оборудовании, установленном между ВЛ и защитным аппаратом по ходу волны (по ошиновке), форма импульсного перенапряжения в первый момент повторяет форму исходного грозового импульса (рис. 9.1,а). После прихода волны, отраженной от вступившего в работу защитного аппарата, перенапряжение быстро снижается, приближаясь к значению, равному сумме остающегося напряжения на защитном аппарате и падению напряжения на индуктивности ошиновки. Такое воздействие на изоляцию менее опасно, чем воздействие полного стандартного грозового импульса той же амплитуды. Перенапряжение в точках подстанции, расположенных по движению волны за защитным аппаратом, имеет вид импульса униполярной формы (рис. 9.1,б); период затухающих колебаний, наложенных на остающееся напряжение защитного аппарата, зависит от параметров схемы подстанции.

 

а)

б)

 

Рис. 9.1. Характерная форма грозовых перенапряжений на подстанционном оборудовании:

а) на входных элементах схемы подстанции (линейный выключатель, разъединитель, конденсатор связи и пр.);

б) на силовом трансформаторе, шунтирующем реакторе;

, ,  - амплитуды последовательных максимумов грозового перенапряжения;

t1 - время наступления первого максимума ;

Uост - остающееся напряжение защитных аппаратов

 

9.5.2. Шкала допустимых воздействий (Uдоп) для различных расчетных условий для силовых трансформаторов, автотрансформаторов и шунтирующих реакторов приведена в табл. 9.1.

 

Таблица 9.1

 

Амплитуда грозовых униполярных волн с наложенными колебаниями, кВ, допустимая

в эксплуатации для изоляции силовых трансформаторов, (автотрансформаторов)

и шунтирующих реакторов

 

Вид оборудования

Класс напряжения, кВ

 

35

110

150

220

330

500

750

1150

Силовые трансформаторы (автотрансформаторы)

210

480

550

750

1050

1550

1650

2100

2250

2200

2550

Шунтирующие реакторы

-

-

-

-

-

1650

1800

2250

2400

2200

2550

 

Примечание: числитель - полная волна, знаменатель - срезанная волна.

 

9.5.3. Одним из условий обеспечения надежной грозозащиты ПС является следующая координация прочности изоляции подстанционного оборудования и характеристик защитных аппаратов:

 

Uдоп = Uост + DUк,                                                         (9.7)

 

где Uост - остающееся напряжение на защитном аппарате при нормированном импульсном токе (токе координации), кВ; Duк - координационный интервал, кВ.

Перенапряжения на оборудовании, в непосредственной близости к которому установлен защитный аппарат, практически совпадают с напряжением на защитном аппарате и определяются его характеристиками, амплитудой и формой протекающего через него тока. Перенапряжения на оборудовании, удаленном на некоторое расстояние от защитного аппарата, превышают напряжение на защитном аппарате вследствие многократных преломлений и отражений грозовых импульсов в узловых точках подстанции. Это превышение зависит, в основном, от крутизны фронта, амплитуды набегающего на подстанцию импульсного напряжения и параметров схемы подстанции: количества установленных защитных аппаратов и расстояний от них до защищаемого оборудования, волнового сопротивления ошиновки и входных емкостей аппаратов ближайших участков подстанции, количества подключенных к ней ВЛ.

Координационный интервал необходим для компенсации: превышения грозового перенапряжения на защищаемом оборудовании по отношению к напряжению на защитном аппарате из-за его удаленности; увеличения остающегося напряжения при крутом фронте волны тока через защитный аппарат. Значение координационного интервала обычно составляет 20-50%, при этом большие значения соответствуют ПС до 500 кВ.

Достаточность координационного интервала проверяется путем сопоставления тока, протекающего через защитный аппарат Iз.а, с нормированным током координации. Ток Iз.а определяется по результатам измерений импульсных токов через защитный аппарат в эксплуатации и по формуле

 

                                                        (9.8)

 

где z - волновое сопротивление провода, Ua - амплитудное значение грозового импульса, равное 50%- ному разрядному напряжению линейной изоляции.

Для выполнения условия (9.7) Iз.а должен быть меньше нормированного тока координации.

Графическое построение для определения тока Iз.а и соответствующего ему Uост приведено на рис. 9.2. При наличии в РУ нескольких защитных аппаратов должна использоваться обобщающая вольт-амперная характеристика, полученная в результате параллельного сложения вольт-амперных характеристик всех защитных аппаратов и волновых сопротивлений отходящих линий. Получение обобщающих характеристик пояснено на рис. 9.3.

 

 

Рис. 9.2. Графическое определение тока через защитный аппарат.

1 - вольт-амперная характеристика защитного аппарата; 2 - зависимость u = 2Ua - iz

 

 

 

 

а)

б)

 

Рис. 9.3. Построение обобщающей вольт-амперной характеристики:

а) сложение вольт-амперных характеристик защитного аппарата и волнового сопротивления отходящей линии;

1 - вольт-амперная характеристика защитного аппарата (OПН1);

2 - вольт-амперная характеристика волнового сопротивления отходящей линии;

3 - обобщающая вольтамперная характеристика.

б) сложение вольтамперных характеристик нескольких защитных аппаратов, установленных в РУ

 

9.6. Определение максимальной длины защитного подхода (опасной зоны)

 

9.6.1. Амплитуда атмосферных перенапряжений в различных точках ПС с выбранными компоновкой и характеристиками подстанционного оборудования и защитных аппаратов зависят от амплитуды и формы грозового импульса на входе ПС. Параметры этого импульса определяются параметрами разряда молнии в точке удара, импульсным уровнем изоляции ВЛ и показателями грозоупорности ВЛ на подходе, расстоянием от места удара до ПС и характеристиками деформации грозового импульса при распространении его по проводам. При известных характеристиках защитных аппаратов и допустимой амплитуде грозовых волн для подстанционного оборудования (табл. 9.1), амплитуде, крутизне и длине импульса в точке удара, для фиксированного расстояния между разрядником и защищаемым объектом может быть определена максимальная длина участка ВЛ на подходе (опасная зона lо.з), после пробега которого амплитуда атмосферного перенапряжения на защищаемом оборудовании не превысит допустимого.

9.6.2. Расчеты переходных процессов на ПС проводятся с использованием "метода бегущих волн": перенапряжения в каждом узле рассчитываются, как сумма всех набегающих на него грозовых импульсов с учетом коэффициентов преломления. Импульсы, отраженные от узла, определяются, как разность напряжения в узле и падающего на узел импульса напряжения и т. д. Одновременный расчет процессов в каждом узле позволяет моделировать переходный процесс на ПС в целом.

При определении длины опасной зоны параметры грозового импульса в точке удара принимаются фиксированными: фронт импульса - вертикальный, длина импульса до 100-200 мкс; амплитуда равна u50 - 50%-ному импульсному разрядному напряжению линейной изоляции. Грозовые импульсы с большими амплитудами будут срезаны при малых предразрядных временах и деформируются под действием импульсной короны. Колебательная составляющая грозового перенапряжения (рис. 9.1) при таких воздействиях не успевает дорасти до максимального значения.

9.6.3. Деформация грозового импульса под действием короны рассчитывается с учетом докоронного порога и влияния рабочего напряжения Up по формуле (П19.1) при u = Uдоп (Приложение 31). Учитывается также, что рабочее напряжение на ошиновке подстанции оказывает влияние на время вступления в работу защитных аппаратов.

В качестве исходного принимается наиболее неблагоприятный случай: грозовой импульс совпадает с максимальным значением Up противоположной полярности. При этом амплитуда расчетного грозового импульса (см. рис. П31.2 и 9.4):

 

up.в = U50 = Up                                                            (9.9)

 

а значение докоронного порога

 

uк.п = Uк + Up                                                         (9.10)

 

где Uк - напряжение начала короны.

Расчет длины опасной зоны не позволяет оценить надежность грозозащиты ПС. Однако такой метод позволяет выбрать схему, защитные аппараты и их размещение на ПС в соответствии с требованиями ПУЭ по длине опасной зоны*. В этом случае показатели надежности грозозащиты ПС с ОПН будут того же порядка или лучше, чем по рекомендациям ПУЭ, которые проверены многолетним опытом эксплуатации.

________________

* При использовании в качестве защитных аппаратов вентильных разрядников, на применение которых были ориентированы рекомендации ПУЭ.

 

9.7. Показатели надежности грозозащиты РУ станций и подстанций

от набегающих волн

 

9.7.1. Надежность грозозащиты ПС оценивается средним числом случаев появления опасных для подстанционной изоляции грозовых импульсов в год. Опасность могут представлять только грозовые импульсы, возникающие при ударе молнии в ВЛ в пределах опасной зоны lо.з. Часть этих импульсов небольшой амплитуды или с малой крутизной фронта и небольшой длительности не вызывают повреждения или перекрытия изоляции оборудования подстанций. При оценке надежности грозозащиты ПС от набегающих с ВЛ грозовых импульсов используются методы, учитывающие статистические распределения амплитуды, крутизны и длительности первого и последующих импульсов тока многократного разряда, а также рабочее напряжение и удаленность грозового разряда. Анализируются перенапряжения, создаваемые на изоляции подстанционного оборудования полными и срезанными грозовыми импульсами.

 

 

Рис. 9.4. Определение длины опасной зоны (lо.з) по "методу бегущей волны"

 

Оценка надежности грозозащиты РУ станций и подстанций состоит в определении доли опасных импульсов среди поражающих ВЛ в пределах опасной зоны. Среднее число опасных грозовых перенапряжений от набегающих волн на каком-то аппарате или на подстанции в целом (т.е. перенапряжений, превышающих допустимые значения) за год может быть определено по формуле:

 

nн.в = N Nг.ч lо.з nвл(1 - kэ) (Payпр + dопPопyоп)×10-4,                               (9.11)

 

где nн.в - среднее число опасных перенапряжений, возникающих на защищаемом аппарате или на ПС в целом в течение года; N - число грозовых ударов в ВЛ длиной 100 км при 100 грозовых часах в год; Nг.ч - число грозовых часов в год; lо.з - длина опасной зоны, км; nвл, kэ - число отходящих ВЛ и коэффициент их взаимного экранирования; Pa - вероятность прорыва молнии на провода; dоп - доля грозовых ударов в опоры и прилегающие участки троса, отн. ед.; Pоп - вероятность обратного перекрытия линейной изоляции; yпр, yоп - доли опасных для изоляции ПС импульсов, соответственно, при прорыве молнии на провода и при обратных перекрытиях изоляции ВЛ, возникающих в пределах опасной зоны, отн. ед.

При определении yпр и yоп необходимо учитывать более 10 статистически изменяющихся параметров, что может быть реализовано при использовании ЭВМ. В настоящее время разработано и апробировано несколько версий программ расчета вероятности возникновения опасных перенапряжений на оборудовании ПС. Две из них представлены в Приложениях: программа ВНИИЭ, использующая метод статистических испытаний Монте-Карло (Приложение 32), и программа СПбГТУ, основанная на построении и интегрировании объема опасных волн с координатами - амплитуда, крутизна тока молнии и удаленность точки удара от шин ПС (Приложение 33).

Величина, обратная nн.в, характеризует среднюю повторяемость опасных перенапряжений, возникающих на защищаемом аппарате или на ПС в целом, (в годах):

 

                                                            (9.12)

 

9.7.2. Для установления критерия достаточности надежности грозозащиты подстанционного оборудования использован многолетний опыт эксплуатации ПС 35-220 кВ с высокими показателями надежности. Показатели надежности грозозащиты ПС более высокого класса номинального напряжения получены экстраполяцией имеющихся значений по ПС 35-220 кВ с учетом большей стоимости и ответственности ПС высших классов напряжения. Рекомендуемые показатели надежности грозозащиты наиболее дорогого и ответственного подстанционного оборудования (силовых трансформаторов, автотрансформаторов и шунтирующих реакторов) в зависимости от класса номинального напряжения ПС оцениваются следующими значениями:

 

Uн, кВ

35

110

220

330

500

750

1150

Тн.в, годы

200-300

300-400

400-600

600-800

800-1000

1000-1200

1200-1500

 

 

ПРИЛОЖЕНИЕ 13

 

ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ ДЛЯ РАСЧЕТА ГРОЗОУПОРНОСТИ

ВЛ 110 кВ И ВЫШЕ

 

Для расчета грозоупорности ВЛ необходимы следующие данные:

uн - номинальное напряжение ВЛ (кВ);

U - наибольшее длительно допустимое рабочее (линейное) напряжение, определяемое в соответствии с ГОСТ 1516.1-76, кВ (табл. П13.1);

L - длина ВЛ, км;

nг.ч - среднемноголетнее или фактическое число грозовых часов за анализируемый период эксплуатации, определяется с учетом расположения трассы ВЛ на региональной карте или относительно близлежащих метеостанций (ГМС) (рис. П13.1) по формуле

 

                                                      (П13.1)

 

где Li - длина участка ВЛ, на котором грозовая деятельность оценена значением  (применительно к карте Nг.ч) или среднемноголетним значением  по i-й ГМС. Длина в последней случае определяется после подготовительных построений, определяющих "зоны охвата" отдельных ГМС: ближайшие ГМС соединяются прямыми и из середины полученных отрезков восстанавливаются перпендикуляры до пересечения с трассой ВЛ или с другими перпендикулярами;

- конструктивный эскиз промежуточной опоры, на котором указываются: материал опоры; высота точек крепления и горизонтальное смещение от оси опоры гирлянд тросов и каждого из проводов, м;

lпрол - длина пролета, м. Для действующих ВЛ

 

                                                      (П13.2)

 

где L - длина ВЛ, км; mоп - число опор на трассе.

Для проектируемых ВЛ lпрол = 0,89 lгаб, где lгаб - габаритный пролет;

hтр-пр - расстояние по вертикали между тросом и проводом в середине пролета. Определяется в зависимости от длины пролета lпрол по рис. П13.2, построенному в соответствии с требованиями ПУЭ (шестое издание, п. 2.5.66);

hг- наименьшее допустимое расстояние от провода до земли в середине пролета. Значения hг для ненаселенной местности по ПУЭ (шестое издание, п. 2.5.103) приведены в табл. П13.1;

fтр и fпр - стрелы провеса троса и провода в условиях грозового сезона, м (см. Примечание к формуле (П16.6) и (П16.7));

- конструкция фазы: rпр - радиус составляющей, м; n - число составляющих; d - шаг расщепления;

- конструкция троса: rтр - радиус троса, м; n - число составляющих и d - шаг расщепления для расщепленного троса;

- конструкция изоляционных подвесок провода и троса: тип изоляторов, nиз - число изоляторов в поддерживающей гирлянде; Низ - строительная высота изолятора, м; lг, lг.тр - длина гирлянды провода и троса со строительной арматурой (длина арматуры для поддерживающих гирлянд провода (lарм) и общая длина гирлянды троса приведены в табл. П13.1; информация о разрядных характеристиках линейной изоляции дана в Приложении 14);

R - среднее по трассе сопротивление заземления опоры при промышленной частоте, Ом. При наличии данных о конструкции заземлителя и удельных характеристиках грунта расчет грозоупорности ВЛ выполняется с учетом искрообразования в земле при стекании тока молнии (см. Приложение 15).

 

а)

 

 

б)

 

Рис. П13.1. Определение фактической интенсивности грозовой деятельности вдоль трассы ВЛ:

а) при использовании региональной карты Nr;

б) с помощью построения "зон охвата" трассы близлежащими метеостанциями

 

 

Рис. П13.2. Наименьшее расстояние между тросом и проводом в середине пролета в зависимости от его длины по ПУЭ (п. 2.5.66)

 

Таблица П13.1

 

Справочные данные для расчета грозоупорности ВЛ 110-1150 кВ

 

Uн, кB

110

150

220

330

500

750

1150

U, кв

126

172

252

363

525

787

1200

hг, м

6,0

6,5

7,0

7,5

8,0

10,25

16,0

lарм до центра провода, м*

0,3

0,3

0,3

0,7

0,7

0,8

0,9

lг.тр, м

0,5

0,5

0,5

0,5

0,5

0,85

1,3*

1,76*

 

* для расщепленного троса.

 

 

ПРИЛОЖЕНИЕ 14

 

РАЗРЯДНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЛИНЕЙНОЙ ИЗОЛЯЦИИ

 

14.1. Под линейной изоляцией подразумевается либо поддерживающая гирлянда, либо воздушный промежуток на опоре при отклоненной ветром гирлянде (при атмосферных перенапряжениях), если он имеет меньшую импульсную прочность, чем гирлянда, либо комбинированная изоляция на деревянных опорах. При комбинированной изоляции должна быть учтена также длина разрядного пути по дереву.

14.2. Расчетная форма импульса тока молнии отрицательной полярности - импульс с косоугольным фронтом длительностью tф до 10 мкс.

14.3. Для расчета вероятности перекрытия изоляции при трех возможных видах поражения ВЛ (ударе в опору, в трос в середине пролета и прорыве молнии на провода) требуются различные разрядные характеристики изоляции:

при ударе молнии в опору используется вольт-секундная характеристика для перекрытий изоляции с предразрядным временем от 0,5 до 10 мкс на фронте импульсов различной крутизны положительной полярности;

при ударе молнии в трос в середине пролета используется 50%-ное разрядное напряжение для импульса положительной полярности.

14.4. Вольт-секундная характеристика гирлянд изоляторов для разрядов на косоугольном фронте импульса определяется с использованием разрядных характеристик гирлянд изоляторов на стандартном грозовом импульсе 1,2/50 мкс, а именно, 50%-ное разрядного напряжения  примененной гирлянды изоляторов и аналогичной характеристики для обобщенной зависимости u50 от lразр (рис. П14.1) по формуле

 

                                   (П14.1)

 

где lразр - длина разрядного пути по гирлянде изоляторов, равная произведению числа изоляторов nиз на строительную высоту изолятора Низ, м; kкон - коэффициент, учитывающий различие в конструкции изоляторов (отношение длины пути тока утечки Ly к строительной высоте Низ; kЕ - коэффициент, учитывающий снижение градиента разрядного напряжения с увеличением длины гирлянды lразр.

Коэффициенты kЕ и kкон выбираются в соответствии с рекомендациями табл. П14.1

Расчет 50%-ного разрядного напряжения для импульса положительной полярности с длительностью фронта более длительности фронта стандартного импульса производится по формуле

 

                                     (П14.2)

 

где tф - длительность фронта, мкс;  - 50%-ное разрядное напряжение для стандартного импульса положительной полярности, кВ.

 

а)

 

б)

 

Рис. П14.1. Зависимость 50%-ного импульсного разрядного напряжения от длины разрядного пути по гирлянде изоляторов:

а) без защитной арматуры; б) с защитной арматурой

 

Таблица П14.1

 

Коэффициенты kЕ и kкон для расчета разрядного напряжения

на косоугольном фронте импульса

 

Конструктивные параметры изоляции

kЕ

kкон

Lу/Низ » 2; lразр £ 2 м

1

1

Lу/Низ > 2; lразр £ 2 м

1

Lу/Низ » 2; lразр > 2 м

1

Lу/Низ > 2; lразр > 2 м

 

14.5. Для расчета вероятности перекрытия изоляции при ударе молнии в провод используется 50%-ное разрядное напряжение для импульса с усредненными параметрами tф » (4-5) мкс, определяемое в зависимости от lразр по формуле

 

                        (П14.3)

 

где lразр - как в табл. П14.1;  - 50%-ное разрядное напряжение для стандартного импульса отрицательной полярности.

14.6. Для определения 50%-ных разрядных напряжений воздушных промежутков на опоре могут использоваться следующие усредненные градиенты напряжения:

для импульса положительной полярности - 580 кВ/м;

для импульса отрицательной полярности - 625 кВ/м.

14.7. Для комбинированной изоляции на линиях с деревянными опорами , где  - 50%-ное разрядное напряжение одной или двух гирлянд изоляторов, кВ; lд - длина по дереву, м; Ед - градиент разрядного напряжения по дереву, равный 70 кВ/м.

14.8. Рекомендации п. 14.4 - п. 14.6 распространяются на линейную изоляцию ВЛ до 750 кВ (lразр до 7 м). Для более длинных гирлянд ВЛ 1150 кВ характерен каскадирующий механизм перекрытия, приводящий к снижению разрядных градиентов.

 

 

ПРИЛОЖЕНИЕ 15

 

РАСЧЕТ СТАЦИОНАРНОГО И ИМПУЛЬСНОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ

ЗАЗЕМЛЕНИЯ ОПОР ВЛ

 

15.1. Электрофизические характеристики грунта

 

Удельное сопротивление r и диэлектрическая проницаемость e грунта должны определяться в ходе предпроектных изысканий по трассе ВЛ. Пределы изменения значений r для разных типов грунтов приведены в табл. П15.1. Усредненные значения диэлектрической проницаемости - даны в табл. П15.2.

Таблица П15.1

Удельное сопротивление грунтов

 

Тип грунта

Удельное сопротивление, r, Ом×м

Почвенный слой

50-1×104

Пески чистые:

 

сыпучие

4×103-1,5×105

естественной влажности

150-2×103

водоносные

50-4×102

Пески с примесью глины (до 3%):

 

неводоносные

80-200

водоносные

55-130

Супеси, (3-16% глины):

 

неводоносные

45-115

водоносные

20-70

Суглинки, (12-25% глины):

 

неводоносные

17-46

водоносные

17-32

Глины (более 25% глины):

 

неводонасыщенные

1-30

водонасыщенные

0,7-20

Галечники чистые:

 

неводоносные

4×102-1×104

водоносные

2×102-1×103

Песчано-глинистые отложения с гравием, галькой и валунами:

 

неводоносные

90-3×103

водоносные

25-8×102

Щербнисто-древесные отложения:

 

с супесчаным заполнителем

270-330

с глыбами (до 40%)

420-780

Валунно-галечные отложения с песчаным заполнителем:

 

неводоносные

8×102-2×104

водоносные

85-4×103

Известняки

60-5×103

Скальные породы (сланцы, граниты):

 

разрушенные и выветренные

6×102-1×103

крепкие

2×103-1×105

 

Таблица П15.2

Диэлектрическая проницаемость различных типов грунтов

 

Тип грунта

Состояние грунта

Относительная диэлектрическая постоянная, e

Гранит

Сухой

4,5-19

Кварцит

-"-

4,4-6,6

Диабаз

-"-

9-13

Базальт

-"-

10,3-15,6

Диорит

-"-

5,9-11,5

Мрамор

-"-

8,2-9,0

Известняк

-"-

7,3-15

Слюда

-"-

6,2-8,0

Глина

-"-

3,5

Почвенный слой

-"-

2,0

Почвенный слой

Влажный (15%)

8,0

Песчаник

Сухой

9-11

Песчаник

Влажный (15%)

9-41

Песок

Сухой

2,5

Песок

Влажный (15%)

7,0

 

Примечание. С увеличением влажности грунта (горной породы) значение e возрастает, так как для воды e = 80, т.е. значительно больше, чем для сухих грунтов.

 

Необходимые для расчета сопротивления заземляющих устройств при стекании больших токов (токов к.з. или токов молнии) значения напряженности электрического поля, при которой в грунте начинаются искровые разряды Ен, а также значения пробивной напряженности грунта в однородном поле Епр для различных типов грунта приведены в табл. П15.3.

 

Таблица П15.3

 

Напряженность электрического поля в начале искрообразования

и при пробое грунта в однородном поле

 

Тип грунта или материала

Влажность, %

Напряженность электрического поля, кВ/см

Ен

Епр

Глина

17

0,4-2,5

9,5-11,0

Песок

7-8

2,3-4,8

12-14

Песок с глиной

10

3

10

Песок с гравием

10

0,7-1,1

10

Торф и перегной

60-70

0,6-1,3

7,0-8,5

Скальный грунт

-

-

75-180

Бетон

20

1,3-3,3

7

Бетон

Сухой

-

35-120

 

15.2. Определение эквивалентного удельного сопротивления неоднородного грунта

 

Расчет заземлителей, размещенных в неоднородном грунте, проводится после приведения реальной многослойной структуры к эквивалентной двухслойной модели. Способы приведения зависят от типа заземляющего устройства и характера электрической структуры грунта.

В общем случае эквивалентное удельное сопротивление верхнего слоя двухслойной модели (r) определяется путем усреднения проводимостей слоев, расположенных по высоте h, по формуле

 

                                                       (П15.1)

 

в которой ri и hi - удельное сопротивление и толщина i-го из nc1 слоев, составляющих первый эквивалентный слой двухслойной модели грунта.

Для вертикального электрода h = lв + hз, где lв - длина вертикального электрода, hз - глубина заложения заземлителя.

Для протяженных заземлителей h, равна глубине их заложения и состоит из одного слоя с r = r1. Толщина второго слоя эквивалентной двухслойной модели определяется расчетной глубиной Нрасч, равной:

(1,3-1,4) lв для вертикального заземлителя;

(0,1-0,2) nлlл £ 10 м для горизонтального (где nл и lл - число и длина лучей).

Если в пределах Нpасч имеется один слой, то его удельное сопротивление принимается за r. Если слоев два и более, то r определяется путем усреднения в зависимости от характера изменения удельного сопротивления слоев по глубине:

при уменьшении удельного сопротивления слоев по глубине

 

                                                     (П15.2)

 

при увеличении удельного сопротивления слоев по глубине

 

                                                    (П15.3)

 

В формулах (П15.2) и (П15.3) ri и hi - удельное сопротивление и толщина i-го из (nс - nc1) слоев, составляющих второй эквивалентный слой, Ом×м и м, соответственно; h - граница разделения слоев двухслойной модели, м.

При составлении двухслойной модели следует учитывать, что в пределах верхних слоев грунта имеют место сезонные изменения температуры и влажности и, следовательно, удельного сопротивления грунта. Общая толщина этих слоев составляет (1,5-1,8) глубины промерзания и оценивается значениями 2,4; 2,0 и 1,2 м соответственно для I, II и III климатических зон, относящихся условно к северным, средним и южным районам России.

Двухслойная модель приводится к однослойной с эквивалентным удельным сопротивлением rэ, в которой заземлитель будет иметь такое же значение сопротивления, как в двухслойной модели грунта.

На рис. П15.1 представлены графики, позволяющие определить значение удельного сопротивления для вертикального электрода (рис. П15.1а), заземляющего устройства с nл горизонтальными лучами (рис. П15.1,б) и для комбинированного заземлителя (nл лучей с вертикальными электродами (рис. П15.1в)).

 

15.3. Стационарное сопротивление заземления одиночных искусственных

заземлителей в однородном грунте

 

Формулы для расчета стационарного сопротивления одиночных искусственных заземлителей опор ВЛ, выполненных из электродов круглого сечения диаметром d, расположенных в однородном грунте с удельным сопротивлением r приведены в табл. П15.4. При использовании электродов некруглого сечения в расчетные формулы табл. П15.4 следует подставлять эквивалентный диаметр dэ (Dэ), определяемый в соответствии с рекомендациями табл. П15.5.

 

 

Рис. П15.1. К определению эквивалентного удельного сопротивления двухслойного грунта для заземлителей разных конструкций:

а) вертикальный электрод длиной lз;

б) заземляющего устройства с nл горизонтальными лучами длиной lл;

в) комбинированного заземлителя (nл лучей с вертикальными электродами)

 

Таблица П15.4

 

Расчет стационарного сопротивления (R=R~) одиночных искусственных заземлителей,

выполненных из электродов круглого сечения, расположенных в однородном

грунте с удельным сопротивлением r

 

Тип заземлителя

Расположение в группе

Расчетная формула

Условия применения

Вертикальный

Верхний конец на поверхности грунта

lз » dз

Середина на глубине hз, верхний конец не доходит до поверхности грунта

lз » dз; hз >

Горизонтальный лучевой

На глубине hз

lз » dз;

lз ³ 4hз

Кольцевой

Горизонтально по глубине hз

а) ;

б)

D » dз;

a) D » 2hз;

б) 2hз > D

Круглая пластина

2hз > D

Симметрично размещенные наклонные электроды

Верхние концы на поверхности грунта, наклон 45°, число электродов nз

при nз = 2; 3; 4 и Аn = 2,45; 4,27; 6,18

lз » dз

 

Примечание. lз - длина электрода, dз - диаметр электрода, D - диаметр кольца (пластина); hз - глубина заложения.

 

Таблица П15.5

 

Эквивалентный диаметр для электродов некруглого сечения

 

Форма поперечного сечения электрода

Эквивалентный диаметр

Равносторонний угол с шириной стороны b

0,95b

Прямоугольник со сторонами а3 и В3

0,64 (А3 + В3)

Лучевой заземлитель - полоса шириной b, уложенная:

плашмя

на ребро

 

0,5b

b

Прямоугольная пластина со сторонами а3 и В3

1,13

 

15.4. Расчет сопротивления заземления различных конструкций

заземляющих устройств опор ВЛ*

_______________

* Рекомендации по расчету сопротивления заземления ориентированы на фундаменты опор действующей унификации и на лучевые заземлители.

 

15.4.1. Расчет стационарного сопротивления растеканию естественных заземлителей - железобетонных оснований опор ВЛ (стоек, свай, плит, сборных фундаментов и т. д.) проводится из условия: железобетонные конструкции замещаются сплошными металлическими, размеры которых соответствуют внешним размерам части арматурного каркаса, находящегося в грунте.

Сопротивление заземления различных конструкций фундаментов опор рассчитывается по соответствующим формулам:

для заглубленной железобетонной стойки

 

                                                      (П15.4)

 

где lз и dз - длина и средний диаметр заглубленного участка стойки, м;

для двух стоек портальной железобетонной опоры

 

                                                      (П15.5)

 

где kис - коэффициент использования, имеющий в зависимости от расстояния между стойками следующие значения:

расстояние между стойками, м

5,0 (ВЛ 110-220 кВ)

8,4 (ВЛ 330 кВ)

kис

0,88

0,92;

для фундамента из четырех грибовидных подножников

 

                                                        (П15.6)

 

где Нп - высота подножника, м; kf - коэффициент формы, который определяется по рис. П15.2 с учетом расстояния между осями подножников и геометрических размеров стойки и основания подножника;

 

 

Рис. П15.2. Коэффициенты формы для расчета сопротивления заземления фундаментов портальных опор

   

 

для фундамента портальной опоры на оттяжках

расчет ведется по формуле (П15.6), где kf определяется по результатам модельных исследований (рис. П15.3) с учетом расстояний между грибовидными подножниками и заглубленными плитами оттяжек;

 

 

Рис П15.3. Коэффициенты формы для расчета сопротивления заземления фундаментов портальных опор с оттяжками:

   

 

для фундамента одностоечной металлической опоры на оттяжках, состоящего из подножника и трех плит

 

                                              (П15.7)

 

где Rпл - сопротивление заземления плиты, рассчитывающееся по формуле

 

                                                    (П15.8)

 

в которой Dэ = 1,13, где А3 и В3 - размеры плиты, м;

Rп - сопротивление заземления подножника, рассчитывающееся по формуле

 

                                                (П15.9)

 

в которой Rст - сопротивление заземления стойки (см. формулу (П15.4)); Rпл - сопротивление основания подножника (см. формулу (П15.8)); kис - коэффициент совместного использования частей подножника, равный 0,9; kис.пл = 0,95 и kис.ф = 0,9 -коэффициенты использования соответственно трех плит и фундамента, окруженного тремя плитами

15.4.2. Сопротивление заземления комбинированного заземлителя (фундамент и лучи) рассчитывается по формуле

 

                                                    (П15.10)

 

где kис - коэффициент использования, равный (0,8-0,9); Rл - сопротивление заземления лучей, рассчитывающееся по формуле

 

                                                     (П15.11)

 

в которой lл - длина лучей, kпод - коэффициент подобия, определяющийся по рис П15.4 в зависимости от числа лучей (nл) и отношения диаметра лучей (dл) к их длине.

 

 

Рис П15.4 Коэффициент подобия kпод для расчета сопротивления многолучевого заземлителя: а - 2 луча, б - 4 луча

 

При добавлении вертикальных стержней сопротивление лучевого заземлителя рассчитывается по формуле

 

                                                    (П15.12)

 

где kл-в - коэффициент, учитывающий снижение сопротивления лучевого заземлителя при добавлении вертикальных электродов длиной lВ по рис. П15.5. Остальные обозначения аналогичны обозначенным в формуле (П15.11).

При rэ > 1000 Ом×м естественная проводимость фундаментов не учитывается, т.е. RS=Rл.

 

 

Рис П15.5. Коэффициент kл-в, учитывающий снижение сопротивления многолучевого заземлителя при добавлении вертикальных электродов

 

15.5. Расчет импульсного сопротивления заземления опор ВЛ

 

При стекании тока молнии происходит изменение значения сопротивления заземления по сравнению с измеренным на частоте 50 Гц вследствие нелинейности удельного сопротивления грунта при импульсном воздействии, процесса искрообразования при стекании тока, приводящего к пробою грунта в приэлектродной зоне, а также индуктивности и емкости заземляющего контура.

В зависимости от характеристик грунта (типа, влажности, удельного сопротивления, электрической прочности) и конструкции заземлителя возможно проявление всех или части перечисленных факторов с преобладающим влиянием одного из них. Например, во влажных глинистых грунтах, имеющих значительную нелинейность, обусловленную электрохимическими процессами, снижение сопротивления заземления может иметь место без образования искровой зоны; в сухих песчаных грунтах снижение сопротивления будет происходить за счет пробоя грунта и образования искровой зоны; в плохо проводящих грунтах интенсивность искрообразования возрастает, но при использовании в них протяженных заземлителей эффект искрообразования будет компенсироваться увеличением сопротивления заземления из-за его индуктивности; для сосредоточенных заземлителей в грунтах с высоким удельным сопротивлением необходимо считаться с емкостью заземляющего контура.

Расчет изменения сопротивления опоры при протекании тока молнии рекомендуется проводить по международной признанной методике, разработанной на основе теории подобия (Корсунцев А.В. Научные доклады высшей школы. Энергетика: 1958, № 1). При определении критериев подобия в основу представлений о механизме работы заземлителя положено понятие искровой зоны, т.е. области, охваченной разрядом в грунте, границы которой определяются характеристическим размером S (рис. П15.6) и критическим значением напряженности электрического поля

 

Eкр = rj,                                                          (П15.13)

где j - плотность тока; r - удельное сопротивление грунта.

 

 

Рис. П15.6. Схема развития разряда в грунте вокруг заземлителя

 

Критериальная зависимость П1 = f2), полученная по результатам обобщения отечественных и зарубежных экспериментальных данных, представленная на рис. П15.7 в координатах:

 

                                                         (П15.14)

                                                      (П15.15)

 

имеет три участка:

I - горизонтальный участок зависимости (П1 = ) соответствует стационарному сопротивлению при промышленной частоте и относится к случаю малых токов, когда наличием искровой зоны можно пренебречь. Значение  зависит от формы заземлителя (электрода); II и III криволинейные участки аппроксимируются формулами:

 

II - участок( < П2 < 45)                   П1 = 0,256 ;                                                  (П15.16)

III - участок (область П2 > 45)             П1 = 1,829 .                                                  (П15.17)

 

Характеристика электрической прочности грунта учтена в критерии подобия П2 значением пробивной напряженности грунта в однородном поле (см. табл. П15.3). При отсутствии конкретных экспериментальных данных Епр может быть оценена формулой

 

Епр = 6,9 lg r - 0,6(lg r)2 - 3,4.                                      (П15.18)

 

 

Рис. П15.7. Критериальная зависимость для расчета импульсного сопротивления заземления

 

Расчету сопротивления заземления с учетом искрообразования предшествует определение критического значения стекающего с заземлителя тока, при котором начинается процесс искрообразования (Iкр). Для этого рассчитываются критериальные параметры П1 и П2 для стационарного значения сопротивления заземления по формулам

 

                                                        (П15.19)

                                              (П15.20)

 

С использованием полученного параметра П2 критическое значение тока Iиск определяется по формуле (П15.15) при I = Iиск

 

                                                  (П15.21)

 

При условии, что ток через опору больше Iиск, расчет импульсного сопротивления заземления ведется следующим образом:

• рассчитывается значение критериального параметра П2 по формуле (П15.15);

• по одной из формул (П15.16) или (П15.17) определяется соответствующее значение П1;

• импульсное сопротивление заземления определяется по формуле:

 

                                                        (П15.22)

 

В расчетах грозоупорности ВЛ описанная процедура должна выполняться по мере возрастания тока молнии до момента перекрытия линейной изоляции *. Степень влияния эффекта искрообразования на показатели грозоупорности зависит от электрофизических характеристик грунта и конструкции заземлителя, а также других особенностей ВЛ разного номинального напряжения.

_____________

* Реализовано в алгоритме программы расчета грозоупорности ВЛ (Приложение 34, версия НИИПТ)

 

• ВЛ напряжением до 110 кВ из-за низкой импульсной прочности линейной изоляции имеют невысокую грозоупорность: при ударах молнии в опору обратное перекрытие изоляции будет происходить уже при небольших значениях импульсного тока без интенсивного развития искровой зоны вокруг заземлителя, т.е. при импульсном сопротивлении заземлителя, мало отличающемся от стационарного. Оценка грозоупорности ВЛ без учета поправки на искрообразование в этом случае дает небольшой запас в расчете, а эффективным средством повышения грозоупорности этих ВЛ является обеспечение низких значений сопротивления заземления на частоте 50 Гц.

• ВЛ 220 и 330 кВ имеют более высокую грозоупорность, а доля отключений от обратных перекрытий на этих ВЛ превышает долю отключений от прорывов. Развитие искровой зоны у этих ВЛ будет происходить еще до перекрытия изоляции, поэтому для ВЛ 220 и 330 кВ необходимо более точно определять как стационарное сопротивление заземления, так и учитывать искрообразование в грунте.

• Конструктивные особенности ВЛ 500-1150 кВ (высокая импульсная прочность линейной изоляции, портальные опоры, два троса, небольшие значения сопротивления заземления при частоте 50 Гц за счет размещения заземляющего контура и фундаментов опор в большом пространстве) обеспечивают высокую грозоупорность ВЛ при ударах молнии в опору без возникновения интенсивной искровой зоны из-за небольших плотностей стекающего в землю импульсного тока, поэтому при расчетах числа отключений от обратных перекрытий этих ВЛ допустимо использовать значение сопротивления заземления при частоте 50 Гц.

 

15.6. Справочные данные для расчета сопротивления заземления (R~ и Rи) типовых заземляющих устройств унифицированных опор ВЛ 110-500 кВ

 

В табл. П15.6 - П15.11 приведена длина лучей многолучевых заземляющих устройств, используемых в качестве типовых для всех конструкций опор табл. 8.1, обеспечивающих нормируемое ПУЭ (п. 2.5.75) сопротивление заземления Rн при промышленной частоте в грунтах с удельным сопротивлением r до 2200 Ом×м, а также дана информация, необходимая для расчета R~ и Rи этих заземлителей: коэффициент подобия kпод, характеристический размер S.

 

Таблица П15.6

 

Исходные данные для расчета R~ и Rи типовых заземляющих устройств

свободностоящих башенных металлических опор ВЛ 110-330 кВ

 

Длина луча, м

Рекомендуемые пределы по r, Ом×м

Rи, Ом

kпод по рис. П15.4

Характеристический размер заземлителя S, м

П 110-5В

П 110-2В

П 150-1В

П 150-2В

П 220-2

П 220-2Т

П 220-3

П 220-3Т

П 330-3

П 330-3Т

П 330-2

П 330-2Т

П 220-5

-

230/300*

15

-

(0,152)** 3,4

(0,114)** 4,2

(0,112)** 4,5

(0,143)** 14,0

5

230-400*

300-400

15

0,550

6,4

8,2

8,0

18,0

10

400-500

15

0,595

11,4

13,0

8,0

23,0

10

500-600

20

0,595

11,4

13,0

13,0

23,0

15

600-700

20

0,610

16,4

17,9

18,0

28,0

20

700-800

20

0,640

21,4

22,9

23,0

33,0

30

800-1000

20

0,675

31,4

32,8

33,0

43,0

35

1000-1300

30

0,690

36,4

37,8

38,0

48,0

40

1300-1500

30

0,705

41,4

42,8

43,0

53,0

50

1500-1900

30

0,730

51,4

52,8

53,0

63,0

60

1900-2200

30

0,750

61,4

62,8

63,0

73,0

 

Примечания: * - числитель для ВЛ 110 кВ, знаменатель для ВЛ 330 кВ;

** - kf фундаментов из четырех подножников.

 

Таблица П15.7

 

Исходные данные для расчета R~ и Rи типовых заземляющих устройств

металлических портальных опор ВЛ 330, 500 и 750 кВ.

 

Длина луча, м

Рекомендуемые пределы по r, Ом×м

Rи, Ом

kпод по рис. П15.4

Характеристический размер заземлителя S, м

П 330-9

ПБ-1

ПП 750-1

-

300

15

-

(0,11)* 10,0

(0,106)* 11,8

(0,093)* 14,8

5

300-500

15

0,550

13,0

14,3

19,5

10

500-700

20

0,595

18,0

19,3

24,8

15

700-800

20

0,610

23,0

24,3

29,8

20

800-1000

20

0,640

28,0

29,3

34,8

30

1000-1300

30

0,675

38,0

39,3

44,8

40

1300-1500

30

0,705

48,0

49,3

54,8

50

1500-1900

30

0,730

58,0

59,3

64,8

60

1900-2200

30

0,750

68,0

69,3

74,8

 

Примечание: * kf фундаментов из двух подножников и двух плит

 

Таблица П15.8

 

Исходные данные для расчета R~ и Rи типовых заземляющих устройств

металлической опоры типа "рюмка" ВЛ 500 кВ

 

Длина луча, м

Рекомендуемые пределы по r, Ом×м

Rи, Ом

kпод по рис. П15.4

Характеристический размер заземлителя S, м

-

350

15

-

5,6

5

350-500

15

0,550

9,2

5

500-600

20

0,550

9,2

10

600-700

20

0,595

14,2

15

700-800

20

0,610

19,2

20

800-1000

20

0,640

24,2

35

1000-1300

30

0,690

39,2

40

1300-1500

30

0,705

44,2

50

1500-1900

30

0,730

54,2

60

1900-2200

30

0,750

64,2

 

Примечание: kf = 0,105 для фундамента из четырех подножников.


Таблица П15.9

 

Исходные данные для расчета R~ и Rи типовых заземляющих устройств

одностоечных железобетонных опор ВЛ 110, 150 и 220 кВ: ПБ 110-1, ПБ 110-2,

ПБ 150-1, ПБ 150-2, ПБ 220-1

 

Длина луча, м

Рекомендуемые пределы по r, Ом×м

Rи, Ом

kпод по рис. П15.4

Характеристический размер заземлителя S, м

-

60

10

(0,49)*

3,0

5

60-100

10

(0,80)**

5,0

5

100-200

15

0,550

5,0

10

200-300

15

0,595

10,0

15

300-400

15

0,610

15,0

20

400-500

15

0,640

20,0

25

500-650

20

0,653

25,0

30

650-800

20

0,675

30,0

40

800-1000

20

0,705

40,0

40

1000-1400

30

0,705

50,0

50

1400-1800

30

0,730

50,0

60

1800-2100

30

0,750

60,0

 

Примечание: * kf заглубленной части стойки

** для двух лучей.

 

Таблица П15.10

 

Исходные данные для расчета R~ и Rи типовых заземляющих устройств

двухстоечных железобетонных опор ВЛ 150, 220, 330, 500 и 750 кВ

 

Длина луча, м

Рекомендуемые пределы по r, Ом×м

Rи, Ом

kпод по рис. П15.4

Характеристический размер заземлителя S, м

ПСБ 150-1

ПСБ 220-1

ПБ 220-4

ПС 220-12

ПС 330-7Н

ПБ 330-4

ПБ 500-5Н

ПБ 750-3

-

150

15

-

(0,278)*

4,0

(0,272)*

4,6

(0,258)*

6,7

(0,262)*

5,3

(0,247)*

8,3

(0,254)*

7,3

(0,254)*

8,8

5

150-300

15

0,550

7,6

8,0

10,8

9,2

12,7

11,5

12,5

10

300-400

15

0,595

12,6

13,0

15,8

14,2

17,7

16,5

17,5

15

400-500

15

0,610

17,6

18,0

20,8

19,2

22,7

21,5

22,5

20

500-700

20

0,640

22,6

23,0

25,8

24,2

27,7

26,5

27,5

25

700-800

20

0,653

27,6

28,0

30,8

29,2

32,7

31,5

32,5

35

800-1000

20

0,690

37,6

38,0

40,8

39,2

42,7

41,5

42,5

40

1000-1400

30

0,705

42,6

43,0

45,8

44,2

47,7

46,5

47,5

50

1400-1800

30

0,730

52,6

53,0

55,8

54,2

57,7

56,5

57,5

60

1800-2100

30

0,750

62,6

63,0

65,8

64,2

67,7

66,5

67,5

 

Примечание: * kf заглубленной части стойки.

 

Таблица П15.11

 

Исходные данные для расчета R~ и Rи типовых заземляющих устройств

железобетонных портальных опор на оттяжках ВЛ 500 кВ

 

Длина луча, м

Рекомендуемые пределы по r, Ом×м

kпод по рис. П15.4

Rи, Ом

Характеристический размер заземлителя S, м

-

300

-

15

(0,108)* 9,5

(0,106)* 10,0

5

300-500

0,550

15

13,0

13,5

10

500-700

0,595

20

18,0

18,5

15

700-800

0,610

20

23,0

23,5

20

800-1000

0,640

20

28,0

28,5

30

1000-1300

0,675

30

38,0

38,5

40

1300-1500

0,705

30

48,0

48,5

50

1500-1900

0,730

30

58,0

58,5

60

1900-2200

0,750

30

68,0

68,5

 

Примечание: * kf заглубленной части стойки

 

 

ПРИЛОЖЕНИЕ 16

 

РАСЧЕТНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ВОЗДУШНОЙ ЛИНИИ

 

Для расчета грозоупорности линии требуется предварительно определить необходимые параметры: индуктивность опоры, волновые сопротивления и коэффициенты связи проводов и тросов.

16.1. Индуктивность опоры от основания до точки подвеса троса (на линиях с тросом) или до вершины опоры (для ВЛ без троса) рассчитывается по формуле

 

                                                        (П16.1)

 

где hтр - высота точки подвеса троса на опоре, м; kтр - коэффициент, который для различных типов опор выбирается по табл. П16.1, мкГн/м.

Индуктивность участка опоры от основания до уровня точки подвеса провода (нижний конец гирлянды), которая рассчитывается по формуле

 

                                                       (П16.2)

 

где hпр - высота точки подвеса провода на опоре, м (нижний конец гирлянды); kпр - коэффициент, который для различных типов опор выбирается по табл. П16.1, мкГн/м.

Для металлических башенных опор высотой более 50 м, например, для переходных пролетов, индуктивность вычисляется по формуле

 

                                     (П16.3)

 

где Н = hтp + hпр; Dh = hтp - hпр; hтp - высота точки подвеса троса на опоре, м; hпр - высота подвеса провода на опоре (нижний конец гирлянды), м; rоп - средний эквивалентный радиус опоры, вычисляющийся по формуле

 

                                                             (П16.4)

 

где Сг - периметр горизонтального сечения опоры на половине ее высоты, м.

16.2. Геометрическое (без короны) волновое сопротивление одиночного троса или провода рассчитывается по формуле

 

                                                    (П16.5)

 

где r - радиус троса или провода, м; hср - средняя высота подвеса троса или провода над землей (м) определяется по формулам:

 

для троса                                                                                                   (П16.6)

для провода                                                                                               (П16.7)

 

в которых hтр и hпр - высота подвеса троса и верхнего провода на опоре определяется с использованием эскиза опоры и длины гирлянд со строительной арматурой (см. Приложение 13, табл. П13.1).

 

Примечание. При отсутствии данных о стрелах провеса fтр и fпр они вычисляются через нормированные ПУЭ расстояния по вертикали между тросом и верхним проводом Dh в середине пролета длиной lпрол (см. Приложение 13, рис. П13.2) и наименьшее допустимое расстояние между нижним проводом и землей hг, м (см. Приложение 13, табл. П13.1):

 

при                                                         (П16.8)

                                                     (П16.9)

при                                                                              (П16.10)

 

где  и  - высота подвеса нижнего и верхнего проводов на опоре.

 

Таблица П16.1

 

Коэффициенты для расчета индуктивности опор воздушных

линий из различного материала

 

Тип опоры

kтр/kпр, мкГн/м

 

Деревянная

Железобетонная

Металлическая

Одностоечная

-

1,0

1,03

Портальная

1,48

1,52

0,74

0,70

0,61

0,60

Одностоечная с оттяжками

-

-

Портальная с оттяжками

-

0,62

0,59

0,55

0,57

 

Примечания: * - см. формулу (П16.4);

** qh - коэффициент, равный отношению длины участка опоры, расположенного выше уровня крепления оттяжек, к общей высоте опоры.

 

Для расщепленного провода в формулу (П16.5) вместо r подставляется эквивалентный радиус

 

                                                   (П16.11)

 

где n - число составляющих расщепленного провода; r - радиус составляющего провода, м; Rp - радиус расщепления, рассчитывающийся по формуле

 

                                                      (П16.12)

 

в которой d - шаг расщепления, м.

Волновое сопротивление z параллельных тросов (проводов) рассчитывается по формуле

 

                                                    (П16.13)

 

где zkk - собственное волновое сопротивление (по формуле (П16.5)), zkm - взаимное волновое сопротивление, которое определяется по формуле

 

                                                 (П16.14)

 

в которой Dkm' - расстояние между тросом k и зеркальным изображением троса m относительно земной поверхности; dkm - расстояние между тросами k и m.

Геометрическое волновое сопротивление двух тросов 2 и 3 одинакового радиуса r, расположенных на высоте hср (рис. П16.1,б), рассчитывается по формуле

 

                                               (П16.15)

 

где hср - средняя высота тросов над землей, м; D23' - расстояние между тросом 2 и зеркальным изображением троса 3 относительно земной поверхности, м; d23 - расстояние между тросами 2 и 3, м

 

а)

б)

 

Рис. П16.1. К расчету волновых сопротивлений и коэффициентов связи проводов и тросов

 

16.3. Геометрический коэффициент связи провода 1 с одиночным тросом или другим проводом 2 (рис. П16.1,а)* рассчитывается по формуле

____________

* Все геометрические размеры на рис. П16.1 определяются по средней высоте троса и провода над землей.

 

                                                       (П16.16)

 

где D12' - расстояние между проводом и зеркальным изображением троса (второго провода) относительно земной поверхности, м; d12 - расстояние между проводом и тросом (вторым проводом), м; hср - средняя высота троса (второго провода) над землей, м; r - радиус троса (второго провода), м.

Коэффициент связи провода n относительно (n - 1) проводов, находящихся под одинаковым напряжением, определяется по формуле

 

                                         (П16.17)

 

в которой собственные и взаимные волновые сопротивления рассчитываются по формулам (П16.5) и (П16.14).

Геометрический коэффициент связи провода 1 с двумя тросами 2 и 3, имеющими одинаковый радиус r и расположенными на высоте hср, на расстоянии d23 друг от друга (см. рис. П16.1,б), вычисляется по формуле

 

                                                   (П16.18)

 

16.4. При возникновении на проводах и тросах импульсной короны волновое сопротивление снижается, а коэффициент связи возрастает. Поправка на корону для волновых сопротивлений и коэффициентов связи вводится по методике, базирующейся на понятии "коронного чехла". Связь между радиусом одиночного или эквивалентным радиусом расщепленного на n составляющих коронирующего провода rэ.к и воздействующим напряжением U описывается трансцендентным уравнением

 

                                            (П16.19)

 

где                                                                                                               (П16.20)

в котором rк - радиус чехла короны составляющего провода, Rк — радиус расщепления коронирующего провода в соответствии с принятой картиной на расщепленных проводах (рис. П16.2 и П16.3) рассчитывается по формуле

 

Rк = Rp - r + rк,                                                    (П16.21)

 

где Rp - радиус расщепления по формуле (П16.12); r - радиус составляющего провода без короны; в формуле (П16.19) Еср - средняя напряженность на границе коронного чехла при отрицательной полярности напряжения.

По результатам обработки экспериментальных данных  связана с радиусом чехла короны провода зависимостью

 

                                                  (П16.22)

 

в которой rк берется в см,  - в кВ/см.

 

а)                                     б)

 

Рис. П16.2. Картина развития коронных чехлов на одиночном (а) и расщепленном (б) проводе

 

 

Рис. П16.3. Расчетные размеры коронного чехла на составляющей расщепленного провода

 

При подстановке rэ.к по формуле (П16.20) в уравнение (П16.19) расчетное выражение для rк принимает вид

 

                                                   (П16.23)

 

Для одиночного провода rэ.к = rк и n = 1. Расчет ведется методом итерации, начиная с rк = r, до выполнения условия .

Расчет волнового сопротивления коронирующего троса (тросов) и коэффициента связи провода с коронирующим тросом (тросами) проводится с использованием в формулах (П16.5), (П16.13), (П16.16) и (П16.17) вместо  параметра равного

 

                                           (П16.24)

 

где rэ.к определено с использованием значения rк на последней итерации. При таком подходе учитывается неравномерность заполнения зарядами "коронного чехла".

16.5. В программе расчета числа грозовых отключений поправка на корону для волнового сопротивления провода вводится однократно при расчете критического значения амплитуды тока молнии, вызывающего перекрытие линейной изоляции при ударе молнии в провод.

Поправка на корону для коэффициента связи вводится при расчете числа обратных перекрытий от удара молнии в опору или трос в середине пролета в динамическом режиме по мере изменения напряжения на тросе.

В табл. П16.2 приведены значения волнового сопротивления проводов (геометрических и с учетом короны) и геометрических коэффициентов связи проводов и тросов ВЛ 35-1150 кВ.

 

Таблица П16.2

 

Волновое сопротивление проводов и коэффициент связи

проводов и тросов ВЛ 35-1150 кВ

 

Тип опоры, расположение проводов

Класс напряжения, кВ

Число составляющих, n

Материал

опоры

zг.пр, Ом

zк.пр, Ом

kг

Башенная или одностоечная, одноцепная

Треугольное расположение проводов, один трос

35

1

металл

500

480

0,205

железобетон

490

475

0,210

110

1

металл

490

445

0,215

железобетон

470

420

0,190

150

1

металл

500

445

0,220

железобетон

485

425

0,195

220

1

металл

480

410

0,190

железобетон

470

395

0,210

330

2

металл

380

290

0,180

Башенная или одностоечная, одноцепная

Расположение проводов "бочка" или "елка", один трос

35

1

металл

510

490

0,220

железобетон

500

485

0,210

110

1

металл

506

455

0,200

железобетон

490

440

0,210

150

1

металл

520

465

0,225

железобетон

500

445

0,220

220

1

металл

500

430

0,210

330

2

металл

395

305

0,180

Портальная свободностоящая или на оттяжках

35

1

дерево

490

475

0,205

110

1

460

385

0,185

150

1

460

385

0,185

железобетон

470

410

0,170

220

1

дерево

445

360

0,180

железобетон

445

365

0,170

Горизонтальное расположение проводов, два троса

330

2

металл

355

260

0,165

железобетон

350

255

0,150

500

3

металл

320

250

0,140

железобетон

315

245

0,140

750

4

металл

310

255

0,185

железобетон

305

250

0,170

1150

8

металл

280

250

0,180

 

 

ПРИЛОЖЕНИЕ 17

 

РАСЧЕТ ЧИСЛА ГРОЗОВЫХ ОТКЛЮЧЕНИЙ ВЛ 110 кB

И БОЛЕЕ ВЫСОКОГО НАПРЯЖЕНИЯ С ТРОСОМ*

____________

* Программа расчета для ПЭВМ разработана в НИИПТ и ВНИИЭ (см. Приложение 34).

 

17.1. Для ВЛ 110 кВ и выше с индуктированными перенапряжениями при ударах в землю можно не считаться.

На ВЛ, имеющей тросовую защиту, различаются три расчетных случая грозовых поражений:

- удар в опору или удар в трос вблизи опоры, по своим последствиям приравниваемый к удару в опору;

- удар в трос в средней части пролета;

- удар в провод (прорыв молнии через тросовую защиту).

Общее число грозовых отключений ВЛ с тросом определяется суммой отключений по указанным причинам. Обычно рассчитывается удельное число грозовых отключений на 100 км и 100 грозовых часов, равное

 

nг = nоп + nтр + nпр                                                     (П17.1)

 

Расчет абсолютного числа грозовых отключений на фактическую длину ВЛ (L) и фактическую интенсивность грозовой деятельности (Nг.ч) производится по формуле (7.1).

17.2. Ожидаемое удельное число грозовых отключений от обратных перекрытий линейной изоляции при ударах молнии в опору определяется по формуле

 

nоп = Nоп Pоп h,                                                        (П17.2)

 

где                                         - число ударов в опору.                                   (П17.3)

 

hтр - высота подвеса на опоре, м; lпрол - длина пролета, м; N - общее число ударов молнии на 100 км линии, рассчитывается в зависимости от средней высоты подвеса троса hср.тр по формулам (6.14) и (6.15); h - коэффициент перехода импульсного перекрытия в дугу тока промышленной частоты, определяется по формуле

 

                                              (П17.4)

 

в которой lразр - длина разрядного пути по гирлянде изоляторов, м; U - наибольшее длительно допустимое рабочее (линейное) напряжение, кВ (см. Приложение 13, табл. П13.1). В случаях, когда значение h по формуле (П17.4) получается больше 0,9, оно принимается равным 0,9; Роп - вероятность перекрытия линейной изоляции, определяется интегрированием области опасных параметров амплитуды и крутизны тока молнии. Перекрытие возникает при условии, когда сумма импульсного и рабочего напряжения провода достигает разрядного напряжения линейной изоляции, определяемого вольт-секундной характеристикой для разрядов на фронте импульса перенапряжений, т.е. когда

 

                                             (П17.5)

 

Удар молнии возможен в любую фазу ир (j). Импульсная составляющая в выражении (П17.5), кроме всего прочего, зависит от высоты подвеса провода, поэтому в зависимости от фазы Uр в неблагоприятных условиях может оказаться тот или другой провод.

При ударе молнии в опору импульсное напряжение на линейной изоляции состоит из следующих составляющих:

• составляющая, вызванная падением напряжения на сопротивлении заземления опоры

 

UR (t) = iоп R,                                                        (П17.6)

 

где iоп - ток через опору, кА; R - сопротивление заземления, Ом;

• магнитная составляющая индуктированного напряжения, которая создается током в опоре и током в канале молнии

 

                                         (П17.7)

 

где а - крутизна тока молнии, кА/мкс;  - индуктивность опоры до точки подвеса провода, определяемая по рекомендациям Приложения 16 (п. 16.1), мкГн; Мпр(t) - взаимная индуктивность между каналом молнии и петлей провод-земля, мкГн, рассчитывается по формуле

 

                             (П17.8)

 

в которой hтр, hпр - высота подвеса троса и провода, м; Н = hтр + hпр, м; Dh = hтp - hпр, м, n и b - абсолютная (м/мкс) и относительная скорость обратного разряда молнии;

• электрическая составляющая индуктированного напряжения

 

                  (П17.9)

 

где kк - коэффициент связи провода с коронирующим тросом;

• напряжение, индуктированное на проводе током в тросе

 

                              (П17.10)

 

где  - индуктивность опоры до точки подвеса троса, мкГн; Мтр(t) - взаимная индуктивность между каналом молнии и петлей трос-земля, мкГн, равная

 

                                      (П17.11)

 

Суммарное напряжение на линейной изоляции при ударе молнии в опору с учетом рабочего напряжения линии составляет

 

Uиз(t) = Uимп (t) + uр(j) = UR (t) + Uин.м (t) + Uин.э (t) - Uин.тр (t) + up (j).         (П17.12)

 

Для определения Uимп (t) необходимо рассчитать распределение тока молнии между опорой и тросом. Для этого используется в зависимости от момента времени на фронте импульса одна из двух схем замещения (рис. П17.1: а - до прихода волны, отраженной от соседней опоры; б - после прихода отраженной волны).

Обозначения на схемах:

а - крутизна тока молнии;

iм - ток молнии;

iоп - ток, протекающий по опоре;

iтр - ток, ответвляющийся в тросы;

 - индуктивность опоры до точки подвеса троса;

Мтр (t)- взаимная индуктивность между каналом молнии и петлей трос-земля;

zтр - волновое сопротивление тросов;

Lтр - индуктивность тросов;

R - сопротивление заземления опор.

Рассчитываемые токи связаны равенством

 

iоп = iм - 2iтр,                                                      (П17.13)

 

а их производные при косоугольном фронте импульса тока молнии соотношением

 

                                                 (П17.14)

 


 




а)

б)

 

Рис. П17.1 Схемы замещения для расчета токов в опоре и тросе при ударе молнии в опору

а) до прихода отраженной волны; б) после прихода отраженной волны

 

Для расчета токов iоп и iтр используются дифференциальные уравнения относительно iтр:

для схемы рис. П17.1,а

 

                        (П17.15)

 

для схемы рис. П17.1,б

 

                         (П17.16)

 

Дифференциальные уравнения (П17.15) и (П17.16) при учете импульсной короны на тросах, а также введении поправки на искрообразование при стекании тока молнии через заземлитель опоры являются дифференциальными уравнениями с нелинейными коэффициентами, для решения которых используются реализованные на ЭВМ численные методы. При этом на каждом интервале интегрирования по времени значение сопротивления заземления опоры R и напряжение на тросе uтр принимается постоянным и, в случае необходимости, т.е. при превышении напряжений на тросе напряжения начала импульсной короны и после возникновения искрообразования в грунте, делаются поправки на коэффициенты связи провода с коронирующим тросом и на снижение сопротивления заземления при протекании импульсного тока в соответствии с рекомендациями Приложений 15 и 16. Для каждого расчетного значения рабочего напряжения uр(j) время прекращения расчета уравнений (П17.15) и (П17.16) tкр для одного из возможных значений крутизны тока молнии Аi определяется выполнением условия (П17.5) для одного из трех проводов, например, с номером k (рис. П17.2). Критическое значение амплитуды тока молнии для этого провода определяется по формуле

 

                                                    (П17.17)

 

Пределы интегрирования (tmin = 0,7 мкс и tmax = 10 мкс) соответствуют минимальной и максимальной длительности фронта расчетного импульса. Многократные расчеты с перебором значений крутизны тока молнии позволяют получить кривые, ограничивающие области опасных параметров для каждого провода и различных фаз uр(j). Вероятность перекрытия изоляции для каждого расчетного случая определяется интегрированием распределения случайных сочетаний параметров Акр и Iкр по соответствующей области опасных параметров:

 

                                      (П17.18)

 

где nk,j - число точек кривой опасных параметров для провода k при рабочем напряжении uр(j);  - вероятность значений I и А, превышающих соответственно Ii и Ai, рассчитывается по формуле (6.5) с параметрами логарифмически нормального распределения, принятыми в п. 6.2.2 и 6.2.3 для первого импульса многократного разряда молнии. Для каждого провода вероятность перекрытия изоляции должна определяться усреднением за период рабочего напряжения

 

                                                 (П17.19)

 

где nj - число расчетных точек на синусоиде рабочего напряжения.

Общее число грозовых отключений ВЛ из-за обратных перекрытий определяется суммированием чисел отключений от обратных перекрытий отдельных проводов

 

                                                     (П17.20)

 

где  рассчитаны по формуле (П17.2).

 

 

Рис П17.2. К расчету координат границы области опасных параметров

 

17.3. Отключение ВЛ при грозовом поражении в середине пролета возможно из-за перекрытия изоляции на опорах, ограничивающий пораженный пролет, так как выбор воздушного промежутка трос-провод в соответствиями с требованиями ПУЭ (п. 2.5.66) (Приложение 13, рис. П13.2) исключает его перекрытия при ударах молнии в середину пролета. Ожидаемое удельное число грозовых отключений ВЛ из-за ударов молнии в трос в середине пролета рассчитывается по формуле

 

nтр = Nтр Ртр h,                                                       (П17.21)

 

где Nтр - число ударов молнии в трос в середине пролета на 100 км линии с использованием формул (6.14) или (6.15), (П17.3) и (П17.34):

 

Nтр = N - Nоп - Nпр,                                                  (П17.22)

 

h - рассчитывается по формуле (П17.4); Ртр - вероятность перекрытия изоляции при ударе молнии в трос в середине пролета рассчитывается по алгоритму, аналогичному расчету Роп с использованием условия (П17.5).

Импульсное напряжение на гирляндах складывается из следующих составляющих:

• составляющая, вызванная падением напряжения на сопротивлении заземления опоры

 

UR(t) = iоп R,                                                       (П17.23)

 

где iоп - ток через опору, кА; R - сопротивление заземления опоры, Ом;

• магнитная составляющая индуктированного напряжения, которая создается током в опоре

 

                                                 (П17.24)

 

где  - индуктивность опоры до точки подвеса провода, мкГн;

• напряжение, индуктированное на проводе током в тросе

 

                                     (П17.25)

 

где  - коэффициент связи провода с коронирующим тросом;  - индуктивность опоры до точки подвеса троса, мкГн.

Суммарное напряжение на линейной изоляции при ударе молнии в трос в середине пролета с учетом рабочего напряжения линии

 

Uиз(t) = Uимп (t) + uр(j) = UR (t) + Uин.м (t) - Uин.тр (t) + up (j).             (П17.26)

 

Необходимый для определения Uимп (t) ток через опору рассчитывается с использованием схемы замещения (рис. П17.3), токи и их производные в которой связаны равенствами

 

                                                      (П17.27)

                                                   (П17.28)

 

Дифференциальное уравнение для расчета iтр имеет вид:

 

                        (П17.29)

 

Способ и алгоритм решения уравнения (П17.29) аналогичен описанному выше для уравнений (П17.15) и (П17.16), за исключением одного момента: в уравнение (П17.29) необходимо подставлять значение крутизны тока молнии, уменьшенное после пробега волной половины пролета по коронирующему тросу. Алгоритм введения поправки на импульсную корону поясняет рис. П17.4.

В точке удара молнии за время пробега половины пролета  напряжение на тросе нарастает до значения

 

                                            (П17.30)

 

где iм и а - ток и крутизна тока молнии; zк.тp - волновое сопротивление коронирующего троса.

 

а)

б)

 

Рис. П17.3. Схемы замещения для расчета токов в опоре и тросе при ударе молнии в трос в середине пролета: а) общая; б) расчетная

 

 

Рис. П17.4. Деформация фронта волны при пробеге по коронирующему тросу:

1 - фронт волны в середине пролета; 2 - деформированный фронт, определяющий крутизну импульсного тока через опору после пробега волны

 

Без импульсной короны нарастание напряжения на тросе соответствует зависимости 1 рис. П17.4. Под действием импульсной короны волновое сопротивление троса снижается. Методом итерационного счета достигается устойчивость выражения (П17.30) и для полученного по выражению (П16.20) расчетного значения радиуса коронирующего троса рассчитывается сдвиг ординаты uтр на фронте волны перенапряжений по формуле

 

                                      (П17.31)

 

где lпрол - длина пролета; с - скорость света (с = 300 м/мкс); ln w0 = ln (2hср/rэ) - обозначения, как в формулах (П16.5) и (П16.11); ln wк по формуле (П16.24)

Расчетная крутизна тока деформированной волны определяется по формуле

 

                                                 (П17.32)

 

17.4. Удельное число отключений от прорыва молнии через тросовую защиту на провода рассчитывается по формуле

 

nпр = Nпр h,                                                     (П17.33)

 

где  - вероятность значений тока молнии, превышающих критическое для удара молнии в провод; Nпр - число прорывов молнии на 100 км линии:

 

Nпр = N Pa,                                                        (П17.34)

 

где Pa - вероятность прорыва молнии на провода при положительных углах защиты троса (трос расположен ближе к оси опоры, чем провод); определяется по эмпирической формуле*

____________

* Формула (П17.35) до ее уточнения может быть использовала только для ВЛ 110-750 кВ с a ³ 10°

 

                                       (П17.35)

где

в которой

 

где Uн - номинальное напряжение линии, кВ; Dh - разность высот подвеса проводов и тросов на опоре, м; Dd - смещение троса и провода по горизонтали, м; hтр - высота подвеса троса на опоре, м; rпр - радиус провода (для расщепленной фазы - rэ), м; hср.пр - средняя высота подвеса провода, м.

Для ВЛ с треугольным расположением проводов в расчетах числа отключений от ударов в провод должно использоваться среднее из значений вероятности прорыва молнии на верхний провод и на нижний провод, расположенные по разным сторонам от оси опоры. Соответственно в формулу (П17.35) подставляются разные значения Dd, Dh и hср.пр.

Значение критического тока молнии для ВЛ номинального напряжения до 330 кВ рассчитывается по формуле

 

                                                         (П17.36)

 

где U50 - 50%-ное разрядное напряжение изоляции для импульсов отрицательной полярности с косоугольным фронтом при среднестатистических временных параметрах импульса определяется по формуле (П14.3); zк.пр - волновое сопротивление провода с учетом короны, Ом.

Для ВЛ 500 кВ и выше критическое значение тока молнии рассчитывается в два этапа: по формуле (П17.36) находится Iкр, для которого по рис. 6.7 определяется сопротивление канала молнии zм и уточненное значение  рассчитывается по формуле

 

                                                (П17.37)

 

Примечание. Подвеска троса с отрицательным углом защиты троса (a < 0) значительно снижает вероятность прорыва молнии на провода. В настоящее время объем опыта эксплуатации ВЛ с a < 0 (в Японии и др. странах) еще недостаточен для вывода эмпирических формул расчета Рa.

 

 

приложение 18

 

расчет числа грозовых отключений линий без троса

на металлических и железобетонных опорах*

_______________

* Программа для ПЭВМ разработана в НИИПТ (см. Приложение 34).

 

18.1. На ВЛ без троса разряды молнии могут поражать опоры и провода в пролете. Исследования грозопоражаемости ВЛ с помощью магнитных регистраторов показали, что разряды молнии распределяются примерно поровну между опорами и проводами в пролете **, т.е.

______________

** Исключение составляют горные линии или участки с очень высокими опорами, на которых могут наблюдаться восходящие разряды от опоры.

 

Nпр = Nоп = 0,5N,                                                     (П18.1)

 

где N - общее число ударов молнии в линию, определяемое по формулам (6.14) и (6.15), в которые вместо hср.тр подставляется средняя высота подвеса провода hср.пр, м.

Общее удельное число грозовых отключений воздушной линии без троса определяется суммой

 

nг = nоп + nпр.                                                        (П18.2)

 

18.2. Расчет удельного числа грозовых отключений от обратных перекрытий при ударе молнии в опору ВЛ без троса выполняется так, как для ВЛ с тросом за исключением определения импульсного напряжения на линейной изоляции.

При ударе молнии в опору ВЛ без троса импульсное напряжение на изоляции состоит из суммы составляющих

 

uимп(t) = uR(t) + uин.м(t) + uин.э(t).                                     (П18.3)

 

• составляющая, вызванная падением напряжения на сопротивлении заземления опоры

 

UR(t) = iм R = a t R,                                                    (П18.4)

 

где R - сопротивление заземления, Ом; а - крутизна тока молнии, кА/мкс;

• магнитная составляющая индуктированного напряжения, создаваемая при перетекании тока по опоре и каналу молнии

 

                                             (П18.5)

 

где  - индуктивность опоры от основания до точки подвеса провода, определяемая по рекомендациям Приложения 16 (п. 16.1), мкГн; Мпр(t) - коэффициент взаимоиндукции, учитывающий э.д.с. в опоре, наводимую током в канале молнии, определяемый по формуле (П17.8);

• электрическая составляющая индуктированного напряжения Uин.э(t), вычитаемая по формуле (П17.9), в которую подставляется kк = 0.

18.3. Критический ток молнии при ударе в провод определяется по формуле (П17.36), а удельное число грозовых отключений по этой причине рассчитывается по формуле (П17.33).

 

 

ПРИЛОЖЕНИЕ 19

 

РАСЧЕТ ЧИСЛА ГРОЗОВЫХ ОТКЛЮЧЕНИЙ ВОЗДУШНОЙ ЛИНИИ

БЕЗ ТРОСА НА ДЕРЕВЯННЫХ ОПОРАХ

 

19.1. На ВЛ без троса на деревянных опорах из-за небольшой длины пролетов и стрел провеса можно пренебречь вероятностью поражения молнией опоры по сравнению с вероятностью поражения провода, т.е. принять

 

Nпр = N,                                                            (П19.1)

 

где N - общее число ударов в линию, определяемое по формуле (6.14) с использованием средней высоты подвеса провода.

Линии на деревянных опорах обычно имеют на трассе опоры с пониженным по сравнению с основной трассой уровнем изоляции (см. п. 7.4.12). На ВЛ с неоднородной изоляцией по трассе грозовые отключения происходят по двум причинам: на участках с полным использованием изоляции дерева - от перекрытий изоляции на опорах, ограничивающих пораженный пролет; на опорах с ослабленной изоляцией - от волн, набегающих с прилегающих участков, имеющих более высокий уровень изоляции.

19.2. Перекрытие изоляции на ВЛ с деревянными опорами при полном использовании изолирующих свойств дерева происходит, как правило, между проводами соседних фаз, по деревянной траверсе и двум гирляндам. Напряжение, приложенное к этой изоляции, должно определяться с учетом коэффициента связи между здоровым и пораженным проводами.

Критическое значение тока молнии (уровень грозоупорности) рассчитывается по формуле

 

                                                    (П19.2)

 

Для волнового сопротивления провода (zк.пр) и коэффициента связи двух проводов с учетом короны (kк) при напряжении на пораженном проводе, равном 50%-ному разрядному напряжению комбинированной изоляции, принимаются следующие значения:

 

Uн, кВ

U50, кВ

zк.пр, Ом

kк

110

1330

365

0,155

150

1740

335

0,155

220

2540

300

0,160

 

Дальнейший расчет ведется по формуле (П17.33), причем коэффициент перехода импульсного перекрытия в дугу тока промышленной частоты для междуфазного перекрытия определяется по формуле

 

                                               (П19.3)

 

где Uл - наибольшее длительно допустимое рабочее (линейное) напряжение (Приложение 13, табл. П13.1); lразр - суммарная длина пути разряда по двум гирляндам изоляторов и участку траверсы между ними, м.

19.3. Вероятность перекрытия на опоре с ослабленной изоляцией от набегающих волн зависит от уровня изоляции на этой опоре, от параметров волны в месте удара молнии и от удаленности точки удара, так как при распространении по проводам набегающие волны затухают за счет потерь в земле и на импульсную корону. Для ВЛ 110-220 кВ основной причиной затухания волны является импульсная корона.

Амплитуда набегающих волн ограничена уровнем изоляции на участках с нормальной изоляцией. На опору с ослабленной изоляцией будут набегать полные волны от токов молнии с амплитудой от Iкр.н и ниже и срезанные волны от токов с амплитудой Iкр.н и выше. Значение Iкр.н рассчитывается по формуле (П19.2). Волна является опасной для ослабленной изоляции, если молния поражает ВЛ внутри некоторого участка длиной  для полной волны и  для срезанной волны.

Связь между расстоянием, пробегаемым волной, и деформацией фронта за счет импульсной короны описывается соотношением

 

                                                    (П19.4)

 

где Dtu - смещение ординаты напряжения  на фронте волны после пробега расстояния li, мкс (рис. П19.1), с - скорость света, км/мкс,

r и hcp.пр - радиус и средняя высота подвеса провода, м; rк - радиус коронирующего провода при напряжении на проводе в точке удара молнии , рассчитывается по методике, изложенной в Приложении 16 (п. 16.4), при этом

 

                                                       (П19.5)

 

Параметр Dtu зависит, кроме всего прочего, от формы набегающих волн: срезанные волны затухают значительно быстрее полных, см. рис. П19.1. В качестве расчетных приняты: для полных - волна с отвесным фронтом и экспоненциально спадающим хвостом при среднестатистической длине волны tв = 32 мкс; (постоянная времени Т = 46,2 м); для срезанных - волна с косоугольным фронтом с tф до 10 мкс.

 

а)

б)

 

 

Рис П19.1. К расчету смещения (DtU) ординаты Uпр = Uпр.ос при пробеге волны по координирующему проводу

а) полная волна,

б) срезанная волна

 

Длина пробега, необходимая для снижения амплитуды расчетной волны до напряжения, вызывающего перекрытие на опоре с ослабленной изоляцией Uпр.ос, рассчитывается по формулам:

для полной волны

                                                    (П19.6)

для срезанной волны

                                                (П19.7)

 

 рассчитывается по формуле (П19.5);

 

                                                        (П19.8)

 

Uпр.ос = Uиз.ос для однофазного перекрытия;                                                                          (П19.9)

 для междуфазного перекрытия,                                                                  (П19.10)

где Uиз.н и Uиз.ос - 50 %-ное разрядное напряжение нормальной и ослабленной изоляции.

На рис. П19.2 показаны области сочетаний опасных параметров I и lп для полных (Sп) и А и lс для срезанных волн (Sc). Наибольшие длины  и  ответствуют разрядам молнии с амплитудой тока Iкр.н и минимальной крутизной для этого тока, равной .

Для построения зависимости I(lп) необходимо сделать серию расчетов по формуле (П19.6) при различных значениях амплитуды тока молнии от уровня грозоупорности на опоре с нормальной изоляцией (Iкр.н) до уровня грозоупорности на опоре с ослабленной изоляцией (Iкр.ос), а для построения зависимости А(lс) - серию расчетов по формуле (П19.7) для различных значений tф (до 10 мкс) при амплитуде тока Iкр.н.

Число грозовых отключений от набегающих с одной стороны на опору с ослабленной изоляцией волн рассчитывается по формулам:

для полных волн

                                                    (П19.11)

для срезанных волн

                                         (П19.12)

 

в которых  - вероятность опасных сочетаний параметров I и lп или А и lс представляют результат интегрирования областей Sп и Sс:

для полных волн (рис. П19.2,а)

 

                                (П19.13)

 

где m - число участков интегрирования; Dil - длина i-того участка, км;  - вероятность амплитуд тока молнии, превышающих средний ток для i-го участка;  - вероятность амплитуд тока молнии, превышающих Iкр.н;

для срезанных волн (рис. П19.2,б)

 

                                    (П19.14)

 

где q - число участков интегрирования; Djl - длина j-го участка, км;  - вероятность крутизны тока молнии, превышающих среднюю крутизну j-го участка; hос - коэффициент перехода импульсного перекрытия в дугу тока промышленной частоты на опоре с ослабленной изоляцией; N(1 - hн) - число ударов молнии, сопровождающихся импульсным перекрытием изоляции на опорах с нормальной изоляцией, не переходящих в дугу тока промышленной частоты, т.е. число срезанных волн, набегающих на опоры с ослабленной изоляцией, которые могут привести к отключению ВЛ за счет перекрытия только на опоре с ослабленной изоляцией.

Для практического использования необходимо построить зависимости . При длине прилегающего к опоре с ослабленной изоляцией участка с нормальным уровнем изоляции  в формулы (П19.11) и (П19.12) необходимо подставить .

 

а)

б)

 

 

 

Рис. П19.2. К расчету вероятности опасных параметров волны и удаленности точки удара молнии от опоры с ослабленной изоляции:

а) I и lп для полной волны; б) А и lc для срезанной волны

 

 

ПРИЛОЖЕНИЕ 20

 

ГРОЗОЗАЩИТА БОЛЬШИХ ПЕРЕХОДОВ

 

Причинами грозовых отключений ВЛ из-за перекрытий изоляции на опорах перехода являются удары молнии в высокие переходные опоры и прорывы молнии на провода. Особенности высоких переходных пролетов ВЛ, связанные с большой высотой переходных опор с точки зрения грозозащиты, таковы:

• повышенная по сравнению с основной трассой ВЛ удельная поражаемость ударами молнии;

• повышенная вероятность перекрытия изоляции при прямом ударе молнии в переходные опоры из-за их больших индуктивностей;

• снижение эффективности тросовой защиты от прорывов молнии на провода.

В зависимости от пересекаемого препятствия переходы имеют различные профили и схемы расстановки опор. На рис. П20.1 в качестве примера дана наиболее часто встречающаяся схема перехода К-А-А-К с одним переходным и двумя смежными пролетами между переходной и концевой опорами.

 

 

Рис. П20.1. Спрямление профиля перехода относительно уровня поверхности воды для расчета его грозопоражаемости:

 действительное расположение троса;

 расчетное расположение троса (после спрямления профиля перехода)

 

Расчет числа обратных перекрытий от ударов молнии в общем случае проводится для каждой переходной опоры по обычной методике (Приложение 17) с учетом следующих дополнений.

а) Для определения средней высоты подвеса троса и провода профиль перехода спрямляется относительно уровня поверхности воды. По найденным значениям hср рассчитывается число ударов молнии с использованием формул (6.14) или (6.15), длины перехода и фактической грозовой деятельности.

б) К ударам в опору относятся удары, поражающие половину длины смежного пролета и четверть длины переходного пролета.

в) Расчет эквивалентной индуктивности тросов в примыкающих к переходной опоре пролетах выполняется по формуле

 

                                                  (П20.1)

 

Индуктивность переходных опор при hоп > 50 м рассчитывается по формуле (П16.3).

Расчет вероятности обратного перекрытия путем интегрирования по области опасных параметров (рис. П20.2) проводится с учетом многокомпонентности разряда молнии, так как при большой индуктивности переходных опор последующие импульсы, имеющие большую крутизну, могут быть опасны для изоляции переходных опор. При этом вероятность обратного перекрытия при числе последующих импульсов, равном 3, рассчитывается по формуле

 

    (П20.2)

 

где ni - число полосок области опасных параметров; (nj)i - число ячеек на i-той полоске области опасных параметров *; DijР - вероятность обратного перекрытия при многокомпонентном разряде с параметрами отдельных импульсов тока молнии: по крутизне - от Ai до Ai+1; по амплитуде: для первого импульса - от Ij - DI до Ij; для трех последующих - от (Ij/2 - DI) до Ij/2**; (Qij)1 - вероятность отсутствия обратного перекрытия при воздействии первого импульса с параметрами по крутизне тока молнии от Аi до Ai+1 и по амплитуде тока от Ij - DI до Ij; (Qij)2 - вероятность отсутствия обратного перекрытия при воздействии последующего импульса с параметрами по крутизне тока молнии от Ai до Ai+1 и по амплитуде от (Ij/2 - DI) до Ij/2;  - вероятность появления разрядов с крутизной тока молнии А > Ai для первого и последующих импульсов разряда;  - вероятность появления разрядов с амплитудой I > Ij для первого импульса и I > Ij/2 для последующих импульсов многократного разряда.

________________

* В пределах одной полоски амплитуда тока меняется от Imax до  (см. рис. П20.2).

** Амплитуда тока последующих импульсов принимается равной половине амплитуды тока первого импульса.

 

Для расчета  первого импульса используется логарифмически нормальное распределение с параметрами  = 30 кА и slgI = 0,32 , полученное при обработке результатов регистрации токов молнии в основном на одиночных объектах, по высоте близких к высотам переходных опор.

Для расчета числа перекрытий от прорывов молнии на провода ввиду большого разнообразия типов и конструкций переходов и отсутствия опыта эксплуатации по грозовым отключениям, обусловленным перекрытием изоляции на опорах переходного участка, невозможен подход с использованием эмпирических формул, подобных (П17.35). Расчет вероятности прорыва молнии на провода должен проводиться по методикам, основанным на анализе параметров электрического поля в пространстве между каналом молнии и ВЛ и применимым для произвольного взаимного расположения проводов и тросов ***.

________________

*** Соответствующие методики и программы расчета для ЭВМ разработаны в ЭНИН, МЭИ, НИИПТ и ВНИИЭ.

 

 

Рис. П20.2 К интегрированию области опасных параметров

многокомпонентного разряда молнии

 

Дополнительно оценивается число грозовых отключений ВЛ из-за перекрытий воздушного промежутка трос-провод (Sтр-пр) при ударах молнии в трос в средней части основного пролета перехода по формуле

 

                                                  (П20.3)

 

где N - число ударов молнии на 100 км и 100 грозовых часов при hср.тр для спрямленного профиля определяется по формулам (6.14) или (6.15); Nоп - число ударов молнии в переходные опоры, отнесенное к 100 км и 100 грозовым часам, определяется по формуле (П17.3); h - коэффициент перехода импульсного перекрытия воздушного промежутка в дугу тока промышленной частоты по формуле (П17.4), отн ед.,  - вероятность тока молнии I > Iкр отн. ед., рассчитывается по рекомендациям Раздела 6 (п. 6.2.2). При этом Iкр определяется следующим образом

 

                                          (П20.4)

 

где Епр - градиент разрядного напряжения промежутка Sтр-пр кВ/м; zк.тр и kк - волновое сопротивление троса (Ом) и коэффициент связи троса и провода с учетом короны при напряжении uтр = Епр × Sтр-пр; zм - сопротивление канала молнии определяется по рис. 6.7 при  - коэффициент, учитывающий уменьшение тока молнии при ударе в трос по сравнению с ударом в хорошо заземленный объект.

В качестве расчетного при определении градиента разрядного напряжения Епр принимается импульс тока молнии со среднестатистической длительностью фронта 4-5 мкс. При длине переходного пролета 1,5-2,0 км напряжение на воздушном промежутке будет нарастать в течение 5-7 мкс до прихода волны, отраженной от переходной опоры, при этом импульс перенапряжений достигает амплитудного значения. На воздушных промежутках трос-провод на трассах ВЛ 110-750 кВ напряжение достигает только 0,2-0,4 амплитудного значения.

Градиент разрядного напряжения промежутка трос-провод при предразрядных временах 5-7 мкс на волне с косоугольным фронтом длительностью 4 -5 мкс оценивается значениями 700-750 кВ/м. Большое значение Епр соответствует предразрядному времени 5 мкс и длине пролета 1,5 км.

Полученное по формуле (П20.3) значение ns сопоставляется с числом грозовых отключений от обратных перекрытий гирлянд изоляторов на переходных опорах при ударе молнии в трос в середину пролета (nтр). При расчете общего числа грозовых отключений к сумме (nоп + nпр) добавляется большая из составляющих nтр или ns, так как при ударе в середину пролета произойдет обратное перекрытие гирлянды на опоре при стекании тока молнии или перекрытие воздушного промежутка трос-провод в месте удара молнии.

Расчет ns оправдан для переходов ВЛ 330 кВ и выше. Для ВЛ 110-220 кВ вероятность перехода импульсного перекрытия промежутка Sтр-пр в дугу тока промышленной частоты мала: расстояние трос-провод по вертикали нормируется ПУЭ (п. 2.5.66) по длине пролета независимо от класса номинального напряжения и для пролетов длиной 1,5-2,0 км составляет 21 м и более (рис. П13.2).

Выбор комплекса средств грозозащиты переходных участков ВЛ проводится индивидуально для каждого перехода и определяется следующими требованиями:

• удельные показатели грозоупорности основной трассы ВЛ и перехода не должны различаться более чем на порядок (1 км перехода по числу грозовых отключений должен быть эквивалентен не более чем 10 км линии);

• учитывая трудность проведения профилактических и ремонтных работ, абсолютное число грозовых отключений от перекрытий изоляции на переходных опорах должно обеспечить не менее чем 25-летний межремонтный период эксплуатации гирлянд перехода.

Выполнение первого требования в сочетании с использованием в гирляндах переходных опор изоляторов с качеством не хуже 10-3 в год и вероятностью пробоя остатка до 0,03 для переходов ВЛ 110-330 кВ и до 0,2 для ВЛ более высоких классов напряжения обеспечивает межремонтный период эксплуатации гирлянд перехода не менее 25 лет при увеличении числа изоляторов, выбранных по нормальному режиму, на 15%.

Комплекс средств для улучшения показателей грозоупорности переходных участков ВЛ различается в зависимости от преобладающей причины грозовых перекрытий изоляции.

Для снижения числа отключений от обратных перекрытий рекомендуется: снижение сопротивления заземления переходных опор; усиление тросовой защиты (увеличивается число тросов, которые размещаются так, чтобы повысить коэффициенты связи тросов и проводов и снизить индуктивность тросов).

Для снижения числа отключений от прорывов молнии на провода рекомендуется: усиление тросовой защиты за счет увеличения числа тросов и рационального их размещения с использованием отрицательных углов защиты, увеличения превышения троса над проводом; применение защитных аппаратов, в том числе, ОПН, которые могут быть установлены: на всех опорах перехода; только на переходных опорах или только на концевых. В последнем случае следует обеспечить некоторое превышение импульсной прочности изоляции переходной опоры по сравнению с изоляцией концевой опоры, чтобы исключить перекрытия от прорывов на переходной опоре до момента прихода волны, отраженной от концевой опоры. Установка ОПН обеспечивает также и снижение числа отключений от обратных перекрытий.

Первый комплекс мероприятий относится в основном к переходам ВЛ напряжением до 330 кВ, второй - к ВЛ 750 кВ и выше. ВЛ 500 кВ занимают промежуточное положение: для них примерно равновероятностны отключения от обратных перекрытий и прорывов. Эффективным для всех классов ВЛ, с точки зрения грозозащиты, является выполнение перехода по многопролетной схеме с опорами меньшей высоты.

Выбор средств грозозащиты перехода, находящегося в зоне подхода ВЛ к подстанции, должен проводиться по требованиям, предъявляемым к надежности грозозащиты подстанции от набегающих волн.

 

 

приложение 21

 

расчет числа грозовых отключений воздушных линий,

проходящих по трассе с высоким удельным

сопротивлением грунта*

_____________

* Программа для ЭВМ разработана в Институте физико-технических проблем энергетики Севера Кольского научного центра РАН (см. Приложение 34)

 

Для ВЛ в районах с высоким удельным сопротивлением грунта существенно увеличивается доля грозовых отключений от обратных перекрытий изоляции при ударах молнии в опоры и грозозащитные тросы за счет увеличения падения напряжения на активной составляющей сопротивления заземления опор. Перекрытие изоляции в этом случае может иметь место как на фронте, так и на хвосте волны. В алгоритме расчета обратных перекрытий необходимо учитывать снижение напряжения на изоляции пораженной опоры после прихода волны, отраженной от соседних опор, с учетом деформации ее при распространении по тросам за счет потерь на импульсную корону.

Для расчета перенапряжений на изоляции с учетом влияния отраженных от соседних опор волн достаточно ограничиться расчетом волновых процессов только в ближайших к точке удара молнии пролетах. При проведении серии расчетов с изменением точки удара от опоры до середины пролета необходимо иметь расчетную схему из трех пролетов, рис. П21.1. Влияние остальных пролетов учитывается введением в схему замещения волновых сопротивлений тросов zтр.

Переходный процесс рассчитывается по методу бегущих волн. Влияние импульсной короны на тросах учитывается введением в схему замещения дискретно распределенных динамических емкостей на землю, зависящих от напряжения в данной точке троса. Напряжение на сосредоточенном заземлителе опоры определяется с учетом искрообразования в грунте. При расчете сопротивления растеканию тока молнии протяженного заземлителя предполагается, что определяющими являются его волновые характеристики. Процесс искрообразования в грунте при этом не учитывается. Для расчета волновых процессов в протяженном заземлителе используется интеграл Дюамеля.

Алгоритм расчета числа грозовых отключений состоит в следующем. Для ряда значений длительности фронта импульса тока молнии tф рассчитываются кривые напряжения на изоляции. Для каждого tф подбирается амплитуда тока молнии, при которой выполняется условие (П17.5). Сочетания опасных значений амплитуды и крутизны тока молнии для всех tф представляют кривую, ограничивающую область опасных параметров тока молнии. Такие кривые определяются для всех расчетных точек удара молнии. Интегрирование плотностей вероятностей всех опасных токов молнии с учетом доли каждого из участков пролета дает суммарную вероятность обратного перекрытия изоляции линии. Число отключений от прорывов молнии на провода рассчитывается по п. 17.4 Приложения 17.

 

 

Рис. П21.1. Схема замещения участка ВЛ для расчета грозоупорности ВЛ при высоком удельном сопротивлении грунта:  - индуктивность опоры до точки подвеса троса; Rз, Сз, Lз - активное, емкостное и индуктивность сопротивление заземлителя; zтр - волновое сопротивление тросов; zм - сопротивление канала молнии

 

 

ПРИЛОЖЕНИЕ 22

 

ГРОЗОЗАЩИТА ВОЗДУШНЫХ ЛИНИЙ 6-35 кВ

 

22.1. Методика расчета числа грозовых отключений ВЛ 6-35 кВ

22.1.1. ВЛ 6-35 кВ работают, чаще всего, с изолированной или компенсированной нейтралью, поэтому однофазные перекрытия на землю опасности не представляют: возникающая при однофазных перекрытиях дуга тока к.з. гаснет. Грозовые отключения ВЛ 6-35 кВ возможны только при двухфазных или трехфазных перекрытиях изоляции.

Причиной грозовых отключений ВЛ 6-35 кВ могут быть прямые удары молнии в линию, а также близкие удары молнии в землю, вызывающие индуктированные перенапряжения на проводах ВЛ, поэтому

 

nг = nп.у + nб.у.                                                       (П22.1)

 

22.1.2. Общее число грозовых отключений ВЛ 6-35 кВ на металлических или железобетонных опорах от прямых ударов складывается из отключений от ударов в опоры и провода в пролете

 

nп.у = nоп + nпр.                                                     (П22.2)

 

При расчете числа отключений от ударов в опоры принимается, что из-за низкого разрядного напряжения при любом ударе молнии перекрывается изоляция одной из фаз. После этого такая фаза работает как заземленный трос. Вероятность перекрытия изоляции второй и третьей фазы рассчитывается по методике, аналогичной расчету вероятности перекрытия изоляции ВЛ, защищенной соответственно одним и двумя тросами (Приложение 17).

Число грозовых отключений от ударов в опору рассчитывается по формуле

 

nоп = Nоп [(Р1,2 - Р1,2,3) + Р1,2,3 (2 - h1,2)] h1,2,                                (П22.3)

 

где Nоп - число ударов молнии в опоры определяется по формуле (П17.3), в которую вместо высоты подвеса троса подставляется высота подвеса верхнего провода; Р1,2 и Р1,2,3 -вероятность сочетаний параметров амплитуды и крутизны тока молнии, приводящих, соответственно, к двухфазным и трехфазным перекрытиям; h1,2 - вероятность перехода импульсного перекрытия в дугу тока промышленной частоты на двух фазах.

Вероятность возникновения к.з. после импульсного перекрытия изоляции зависит от степени ионизации канала дуги, ее длины и мгновенного значения рабочего напряжения. Для гирлянд изоляторов и изоляционных траверс вероятность возникновения к.з. после импульсного перекрытия изоляции двух фаз определяется по формуле

 

                                             (П22.4)

 

где Uн - линейное напряжение, кВ; lразр - суммарная длина пути разряда между проводами двух фаз, м.

На железобетонных и металлических опорах с металлическими траверсами суммарная длина дуги lразр равна удвоенной длине дуги по гирлянде (или штыревому изолятору): длина дуги по гирлянде принимается равной строительной длине изоляционной части гирлянды плюс диаметр изолятора; длина дуги по штыревому изолятору рассчитывается, как сумма расстояний от штыря до края юбки и от края юбки изолятора до части, находящейся под напряжением; на опорах с комбинированной изоляцией длина дуги увеличивается на расстояние, равное длине древесины или полимерной траверсы, перекрываемой дугой.

На ВЛ со штыревыми изоляторами к.з. возникает, если в момент импульсного перекрытия значение Uн/lразр составляет 14 кВ/м и более. Критическая фаза для синусоиды рабочего напряжения определяется так:

 

                                               (П22.5)

 

где Uн и lразр аналогичны использованным в формуле (П22.4).

Для штыревых изоляторов вероятность перехода импульсного перекрытия в дугу тока промышленной частоты рассчитывается по формуле

 

                                                      (П22.6)

где jкр в градусах.

Для трехфазного перекрытия вероятность возникновения к.з. составляет:

 

h1,2,3 = h1,2 (2 - h1,2).                                                 (П22.7)

 

Число грозовых отключений при ударах в пролет будет зависеть от его длины и сопротивления заземления опор. Оно увеличивается по мере их возрастания. Перекрытие изоляции происходит на опоре при набегании волны перенапряжения от удара в пролет. Отношение числа отключений при ударах в провод в пролете nпр к числу отключений при ударах в опору nоп для типичных конструкций линий приведено в табл. П22.1.

Таблица П22.1

 

Отношение числа грозовых отключений от ударов в провод в пролете

к числу отключений от ударов в опору для ВЛ 10 и 35 кВ

 

nпр/nоп для двух типов траверс в зависимости от Rз, (Ом):

вл 10 кВ (длина пролета 80 м)

ВЛ 35 кВ (длина пролета 200 м)

металлические

(U50 = 130 кВ)

изоляционные

(U50 = 220 кВ)

металлические

(U50 = 330 кВ)

изоляционные

(U50 = 570 кВ)

10

20

40

10

20

40

10

20

40

10

20

40

0,3

0,5

0,85

0,2

0,4

0,55

0,7

1,0

1,3

0,3

0,5

0,85

 

22.1.3. Индуктированные перенапряжения возникают одновременно на всех фазах. При расположении проводов на одной высоте равновероятно перекрытие изоляции любой из фаз, в остальных случаях более вероятно перекрытие изоляций верхней фазы. После перекрытия изоляции одной из фаз перенапряжения на двух здоровых фазах снижаются из-за появления потенциала на опоре. Для перекрытия изоляции на второй фазе индуктированное перенапряжение должно иметь значение, превосходящее рассчитанное по формуле

 

                                                  (П22.8)

 

При перекрытии на третью фазу значение индуктированного перенапряжения

 

                                                (П22.9)

 

где U50 - 50%-ное разрядное напряжение изоляции относительно земли; R - сопротивление заземления опоры, Ом; z11, z12, z13, z23 - собственное волновое сопротивление провода первой перекрытой фазы и взаимные волновые сопротивления проводов всех трех фаз рассчитываются, соответственно, по формулам П16.5 и П16.14;

Индуктированные напряжения при ударах в землю должны учитываться при расчете числа грозовых отключений ВЛ 10 кВ и 35 кВ с металлическими и железобетонными опорами. Для ВЛ 10 кВ и 35 кВ с изолирующими траверсами с индуктированными перенапряжениями при ударах в землю можно не считаться. Число индуктированных перенапряжений зависит от плотности разрядов молнии на землю и длины ВЛ, а распределение их амплитуды Uи от высоты подвеса проводов и распределения вероятности тока молнии. Значения индуктированных перенапряжений рассчитываются для средней высоты подвеса проводов. В открытой местности для ВЛ со средней высотой проводов над землей 10 м число индуктированных перенапряжений с амплитудой, равной 25 кВ и более, рассчитывается по формуле

 

Nи = 1,3p0 L,                                                      (П22.10)

 

где р0 - число разрядов молнии за год на 1 км2 земной поверхности по формуле (6.10); L - длина линии, км.

Вероятность индуктированных перенапряжений  с амплитудой, превышающей Uи для ВЛ со средней высотой провода 10 м определяется по кривой рис. П22.1. Если для ВЛ со средней высотой проводов над землей 10 м была определена вероятность индуктированных перенапряжений  амплитудой Uи, то на ВЛ с другой высотой hср вероятность  будут иметь перенапряжения с амплитудой

 

                                                    (П22.11)

 

где hср в метрах.

Число индуктированных перенапряжений амплитудой Uи ³ 25 кВ равно

 

                                                    (П22.12)

 

Вероятность индуктированных перенапряжений, приводящих к двухфазным и трехфазным перекрытиям изоляции  определяется по рис. П22.1 для . Для ВЛ со средней высотой провода над землей, отличной от 10 м, эта вероятность определяется для значений амплитуд индуктированных перенапряжений:

Число грозовых отключений линии от индуктированных перенапряжений рассчитывается по формуле

 

                          (П22.13)

 

Здесь  - коэффициент перехода импульсного перекрытия от индуктированных перенапряжений в дугу тока промышленной частоты на двух фазах принимается равным 0,05-0,1 из-за меньшей, чем при прямом ударе, амплитуды импульсного тока.

При прохождении ВЛ по лесистой или застроенной местности число грозовых отключений определяется по формуле

 

nэ = nг (1 - kэ),                                                      (П22.14)

 

где nг - число отключений для ВЛ на открытой местности; kэ - коэффициент экранирования

В городских условиях и вблизи деревьев коэффициент экранирования kэ = 0,3-0,5. При прохождении ВЛ по просеке kэ = 0,6-0,8.

 

 

Рис. П22.1. Вероятность индуктированных перенапряжений, превышающих значение абсциссы для ВЛ с hср.пр = 10 м

 

22.2. Мероприятия по повышению грозоупорности ВЛ 6-35 кВ

22.2.1. ВЛ 6 и 10 кВ на железобетонных опорах имеют очень низкий уровень грозоупорности из-за малой электрической прочности штыревых изоляторов и высокой вероятности возникновения к.з. после импульсного перекрытия. Кроме того, с большой вероятностью изоляция этих ВЛ перекрывается от индуктированных перенапряжений при близких ударах молнии в землю. Небольшое улучшение эксплуатационных показателей этих ВЛ достигается при повышении электрической прочности изоляции и снижении сопротивления заземлений.

22.2.2. ВЛ 6 и 10 кВ на деревянных опорах с креплением изоляторов с помощью крюков на стойках также имеют низкий уровень грозоупорности: междуфазное перекрытие изоляции происходит практически при каждом прямом ударе в молнию. Число грозовых отключений этих ВЛ меньше по сравнению с ВЛ на железобетонных опорах: меньше вероятность возникновения к.з. после импульсного перекрытия; индуктированные перенапряжения не вызывают перекрытия линейной изоляции. Близкие, но несколько худшие показатели имеют линии на деревянных опорах с металлическими траверсами за счет уменьшения импульсной прочности изоляции между фазами и увеличения вероятности перехода импульсного перекрытия в силовую дугу. Основным мероприятием для повышения эксплуатационных показателей этих ВЛ является АПВ. На этих ВЛ целесообразно использование АПВ двукратного действия. Учитывая небольшую длину ВЛ 10 кВ, при соблюдении этих мероприятий удается обеспечить приемлемые эксплуатационные показатели в районах с умеренной грозовой деятельностью.

22.2.3. В качестве мероприятий по повышению грозоупорности ВЛ основных сетей 10 кВ могут использоваться изоляционные траверсы (из сухой и пропитанной древесины или пластических масс) для крепления нижних проводов. Верхний провод крепится на изоляторе, устанавливаемом на вершине железобетонной или деревянной стойки, и работает как трос. На деревянных опорах от штыря изолятора верхнего провода вдоль стойки прокладывается стальной спуск с разрывом 15 см на высоте 4 м от земли. Заземляющий спуск погружается в грунт на глубину заложения стойки. Такая конструкция ВЛ за счет повышения импульсной прочности изоляции и снижения вероятности возникновения к.з. после импульсного перекрытия позволяет снизить число грозовых отключений по сравнению с ВЛ на железобетонных и деревянных опорах с металлическими траверсами и креплениями изоляторов на крюках.

22.2.4. Уровень грозоупорности ВЛ 35 кВ на железобетонных опорах существенно зависит от сопротивления заземлений опор. Для обеспечения эксплуатационной надежности этих ВЛ необходимо ограничить сопротивление заземлений в соответствии с рекомендациями ПУЭ 1998 (табл. 2.5.21).

Повышенная (примерно на порядок) грозоупорность ВЛ 35 кВ на железобетонных опорах может быть достигнута при использовании изоляционных траверс для подвески нижних проводов.

22.2.5. ВЛ 35 кВ на деревянных портальных опорах с расстоянием между проводами 3 м при выполнении сопротивлений заземления опор в соответствии с рекомендациями ПУЭ более грозоупорны. Для повышения надежности таких ВЛ от траверсы вдоль стоек опор следует проложить заземляющие спуски, которые закладываются в грунт на глубину 0,5 м и соединяются между собой в земле. При этом уровень грозоупорности ВЛ повышается и предотвращается расщепление стоек.

На ВЛ 6-35 кВ с деревянными опорами отдельные железобетонные (металлические) опоры с ослабленной изоляцией и крайние опоры участка с железобетонными опорами (или участка с чередующимися железобетонными и деревянными опорами) должны защищаться подвесными ОПН.

22.2.6. На ВЛ 35 кВ с деревянными опорами защиту единичных железобетонных или металлических опор следует выполнять либо с помощью ОПН, либо за счет усиления изоляции (до 10-12 изоляторов) в гирлянде, при этом должен быть обеспечен габарит до земли в соответствии с ПУЭ и импульсная прочность воздушного промежутка не ниже импульсной прочности гирлянды.

22.2.7 На отпайках от ВЛ 6-35 кВ на деревянных опорах за отпаечным разъединителем со стороны питания устанавливается ОПН.

22.2.8. Грозозащита ВЛ 6-20 кВ с защищенными (изолированными) проводами должна выполняться в соответствии с рекомендациями "Правил устройства воздушных линий электропередачи напряжением 6-20 кВ с защищенными проводами" (ПУ ВЛЗ 6-20 кВ)*.

________________

* ПУ ВЛЗ 6-20 кВ утверждены Министерством топлива и энергетики и введены в действие с 1 января 1999 г.

 

 

ПРИЛОЖЕНИЕ 23

 

СПРАВОЧНЫЕ КРИВЫЕ ПО ОЖИДАЕМОМУ УДЕЛЬНОМУ ЧИСЛУ ГРОЗОВЫХ

ОТКЛЮЧЕНИЙ ВЛ 110-750 кB НА УНИФИЦИРОВАННЫХ И ТИПОВЫХ ОПОРАХ

 

Информация по составу справочных кривых и их использованию для оценки грозоупорности ВЛ 110-750 кВ дана в подразделе 8.1. На рис. П23.1 - П23.32 все расчетные зависимости по удельным числам грозовых отключений даны на 100 км и 100 грозовых часов.

Для ВЛ с тросом (сплошные кривые) приведены отдельные составляющие числа грозовых отключений: (nоп + nтр) - от обратных перекрытий при ударах молнии в опору и трос; nпр - при прорывах молнии на провода. Общее число грозовых отключений ВЛ с тросом nг = (nоп + nтр) + nпр.

Для ВЛ на двухцепных опорах дополнительно даны зависимости от Rз и lразр общего удельного числа грозовых отключений одновременно двух цепей - nг.2ц (тонкие сплошные линии).

Область А (Rз до 30 Ом) дана в увеличенном масштабе. Для составляющей nпр приведены численные значения.

Для ВЛ без троса (пунктирные кривые) даны зависимости от сопротивления заземления (Rз) общего числа грозовых отключений (nг) и выделена составляющая от прорывов молнии на провода (nпр). Составляющая от обратных перекрытий (nоп + nтр) = nг - nпр.

 

 

Рис. П23.1. Удельное число грозовых отключений ВЛ 110 кВ на одноцепных стальных башенных опорах с одним тросом при различной линейной изоляции

а) 8 ПС70Е lразр = 1,02 м, б) 9 ПС70Е lразр = 1,14 м, в) 10 ПС70Е lразр = 1,27 м (на 100 км и 100 грозовых часов),  ВЛ с тросом;  ВЛ без троса

 

 

Рис. П23.2. Удельное число грозовых отключений ВЛ 110 кВ на двухцепных стальных башенных опорах с одним тросом при различной линейной изоляции

а) 8 ПС70Е lразр = 1,02 м, б) 9 ПС70Е lразр = 1,14 м, в) 10 ПС70Е lразр = 1,27 м (на 100 км и 100 грозовых часов),  ВЛ с тросом;  ВЛ без троса

 

 

Рис. П23.3. Удельное число грозовых отключений ВЛ 110 кВ на одноцепных железобетонных опорах с одним тросом при различной линейной изоляции

а) 8 ПС70Е lразр =1,02 м; б) 9 ПС70Е lразр =1,14 м; в) 10 ПС70Е lразр =1,27 м (на 100 км и 100 грозовых часов);  ВЛ с тросом;  ВЛ без троса

 

 

Рис. П23.4. Удельное число грозовых отключений ВЛ 110 кВ на двухцепных железобетонных опорах с одним тросом при различной линейной изоляции:

а) 8 ПС70Е lразр =1,02 м; б) 9 ПС70Е lразр =1,14 м; в) 10 ПС70Е lразр =1,27 м (на 100 км и 100 грозовых часов);  ВЛ с тросом;  ВЛ без троса

 

 

Рис. П23.5. Удельное число грозовых отключений ВЛ 150 кВ на одноцепных стальных башенных опорах с одним тросом при различной линейной изоляции:

а) 10 ПС70Е lразр = 1,27 м; б) 11 ПС70Е lразр = 1,40 м; в) 13 ПС70Е lразр = 1,65 м (на 100 км и 100 грозовых часов);  ВЛ с тросом;  ВЛ без троса

 

 

Рис. П23.6. Удельное число грозовых отключений ВЛ 150 кВ на двухцепных стальных башенных опорах с одним тросом при различной линейной изоляции:

а) 10 ПС70Е lразр =1,27 м; б) 11 ПС70Е lразр =1,40 м; в) 13 ПС70Е lразр =1,65 м (на 100 км и 100 грозовых часов);  ВЛ с тросом;  ВЛ без троса

 

 

Рис. П23.7. Удельное число грозовых отключений ВЛ 150 кВ на одноцепных железобетонных опорах с одним тросом при различной линейной изоляции:

а) 10 ПС70Е lразр = 1,27 м; б) 11 ПС70Е lразр = 1,40 м; в) 13 ПС70Е lразр = 1,65 м (на 100 км и 100 грозовых часов);  ВЛ с тросом;  ВЛ без троса

 

 

Рис. П23.8. Удельное число грозовых отключений ВЛ 150 кВ на двухцепных железобетонных опорах с одним тросом при различной линейной изоляции:

а) 10 П70Е lразр = 1,27 м; б) 11 ПС70Е lразр = 1,40 м; в) 13 ПС70Е lразр = 1,65 м (на 100 км и 100 грозовых часов);  ВЛ с тросом;  ВЛ без троса

 

 

Рис. П23.9. Удельное число грозовых отключений ВЛ 150 кВ на портальных железобетонных опорах с двумя тросами при различной линейной изоляции:

а) 10 ПС70Е lразр =1,27 м; б) 11 ПС70Е lразр =1,40 м; в) 12 ПС70Е lразр =1,52 м (на 100 км и 100 грозовых часов);  ВЛ с тросом;  ВЛ без троса

 

 

Рис. П23.10. Удельное число грозовых отключений ВЛ 220 кВ на одноцепных стальных башенных опорах с одним тросом при различной линейной изоляции:

а) 14 ПС70Е lразр = 1,78 м; б) 15 ПС70Е lразр = 1,91 м; в) 17 ПС70Е lразр = 2,16 м (на 100 км и 100 грозовых часов);  ВЛ с тросом;  ВЛ без троса

 

 

Рис. П23.11. Удельное число грозовых отключений ВЛ 220 кВ на одноцепных стальных башенных опорах с двумя тросами при различной линейной изоляции:

а) 14 ПС70Е lразр = 1,78 м; б) 15 ПС70Е lразр = 1,91 м; в) 17 ПС70Е lразр = 2,16 м (на 100 км и 100 грозовых часов);  ВЛ с тросом;  ВЛ без троса

 

 

Рис. П23.12. Удельное число грозовых отключений ВЛ 220 кВ на двухцепных стальных башенных опорах с одним тросом при различной линейной изоляции:

а) 14 ПС70Е lразр =1,78 м; б) 15 ПС70Е lразр =1,91 м; в) 17 ПС70Е lразр =2,16 м (на 100 км и 100 грозовых часов);  ВЛ с тросом;  ВЛ без троса

 

 

Рис. П23.13. Удельное число грозовых отключений ВЛ 220 кВ на двухцепных стальных башенных опорах с двумя тросами при различной линейной изоляции:

а) 14 ПС70Е lразр = 1,78 м; б) 15 ПС70Е lразр = 1,91 м; в) 17 ПС70Е lразр = 2,16 м (на 100 км и 100 грозовых часов);  ВЛ с тросом;  ВЛ без троса

 

 

Рис. П23.14. Удельное число грозовых отключений ВЛ 220 кВ на одноцепных стальных башенных опорах с одним тросом при различной линейной изоляции:

а) 14 ПС70Е lразр =1,78 м; б) 15 ПС70Е lразр =1,91 м; в) 17 ПС70Е lразр =2,16 м (на 100 км и 100 грозовых, часов);  ВЛ с тросом;  ВЛ без троса

 

 

Рис. П23.15. Удельное число грозовых отключений ВЛ 220 кВ на одноцепных железобетонных опорах с одним тросом при различной линейной изоляции:

а) 14 ПС70Е lразр =1,78 м; б) 15 ПС70Е lразр =1,91 м; в) 17 ПС70Е lразр = 2,16 м (на 100 км и 100 грозовых часов);  ВЛ с тросом;  ВЛ без троса

 

 

Рис. П23.16. Удельное число грозовых отключений ВЛ 220 кВ на одноцепных портальных опорах с двумя тросами при различной линейной изоляции:

а) 14 ПС70Е lразр =1,78 м; б) 15 ПС70Е lразр =1,91 м; в) 17 ПС70Е lразр =2,16 м (на 100 км и 100 грозовых часов);  ВЛ с тросом;  ВЛ без троса

 

 

Рис. П23.17. Удельное число грозовых отключений ВЛ 220 кВ на двухцепных портальных двухъярусных железобетонных опорах с двумя тросами при различной линейной изоляции:

а) 14 ПС70Е lразр = 1,78 м; б) 15 ПС70Е lразр = 1,91 м; в) 17 С70Е lразр = 2,16 м (на 100 км и 100 грозовых часов);  ВЛ с тросом;  ВЛ без троса

 

 

Рис. П23.18. Удельное число грозовых отключений ВЛ 220 кВ на двухцепных портальных одноярусных железобетонных опорах с двумя тросами при различной линейной изоляции:

а) 14 ПС70Е lразр = 1,78 м; б) 15 ПС70Е lразр = 1,91 м; в) 17 ПС70Е lразр = 2,16 м (на 100 км и 100 грозовых часов);  ВЛ с тросом;  ВЛ без троса

 

 

Рис. П23.19. Удельное число грозовых отключений ВЛ 330 кВ на одноцепных стальных башенных опорах с одним тросом при различной линейной изоляции:

а) 21 ПС70Е lразр = 2,67 м; б) 23 ПС70Е lразр = 2,92 м; в) 25 ПС70Е lразр = 3,18 м (на 100 км и 100 грозовых часов);  ВЛ с тросом;  ВЛ без троса

 

 

Рис. П23.20. Удельное число грозовых отключений ВЛ 330 кВ на одноцепных стальных башенных опорах с двумя тросами при различной линейной изоляции:

а) 21 ПС70Е lразр = 2,67 м; б) 23 ПС70Е lразр = 2,92 м; в) 25 ПС70Е lразр = 3,18 м (на 100 км и 100 грозовых часов);  ВЛ с тросом;  ВЛ без троса