Атмосферные перенапряжения

Дата: 2025-05-25; Просмотры: 2

Оценка:

0.00 из 5.00 — оценок

Скачиваний: 0

Скачать

Атмосферные перенапряжения возникают в результате воздей­ствия грозового разряда на электроэнергетические установки или удара молнии.

Атмосферные перенапряжения в зависимости от характера воз­действия делятся на индуктированные и перенапряжения прямого удара молнии. Индуктированные перенапряжения возникают в ус­тановках при разряде молнии вблизи них.

Атмосферные перенапряжения возникают сравнительно часто и могут достигать при отсутствии специальных защитных средств и мероприятий нескольких миллионов вольт, вызывая перекрытие и повреждение изоляции установок. Чаще имеют место индукти­рованные перенапряжения, так как электроэнергетические установ­ки достаточно надежно защищены от прямых ударов молнии.

Природа атмосферных перенапряжений. Основные параметры молнии

Молния — электрический разряд, источником которого являет­ся грозовое облако. Молнии поражают людей и животных, вызы­вают пожары и повреждают сооружения. В установках высокого напряжения наиболее часто поражению молнии подвергаются ли­нии электропередачи вследствие своей большой протяженности. При этом возникают перенапряжения, которые в воздушных лини­ях электропередач превосходят все их другие виды. Как же проис­ходит развитие этого явления?

Земля окружена на высоте около 80 км ионосферой — слоем со значительным преобладанием положительных ионов, сама земля заряжена отрицательно. В ясную безветренную погоду напряжен­ность электрического поля около поверхности земли составляет Ез = 130 В/м. Это позволяет определить отрицательный заряд всей Земли, который составляет 586 кКл.

Для возникновения грозового разряда необходимо, чтобы на­пряженность электрического поля в некоторой области достигла нескольких киловольт на сантиметр. Если это происходит внутри облака, то возникает внутриоблачный разряд или разряд на землю (нисходящая молния). Если напряженность поля сильно искажается

у поверхности земли (высокая башня), то возникает молния, раз­вивающаяся от земли к облаку (восходящая молния). Так как мол­ния может начаться у положительно или отрицательно заряжен­ных центров грозовых ячеек или высоких предметов на поверхности земли, то возможны четыре типа молний (рис. 1.3). Если разветвления канала направлены к земле, то имеет место разряд от облака на землю — нисходящая молния (см. рис. 1.3, а, б). Обрат­ное направление разветвлений свидетельствует о восходящей мол­нии (см. рис. 1.3, в, г).

Рассмотрим грозовой разряд, развивающийся от облака по на­правлению к земле, так как в большинстве случаев наблюдаются разряды из отрицательно заряженных облаков. Существует несколько версий образования противоположно заряженного облака по от­ношению к земле. По одной из них, согласно теории Вильсона, при падении нейтральной водяной капли в облаке на ней индуктируются заряды: вверху — отрицательный, внизу — положительный. Круп­ные капли при своем падении подхватывают отрицательные ионы (нижней своей частью) и сами заряжаются отрицательно; положи­тельные ионы отталкиваются нижней частью капельки, а вверху ка­пельки такие ионы ее не настигают, так как они движутся медлен­нее, чем падает капелька (рис. 1.4). Падающие отрицательно заря­женные крупные капли заряжают низ облака отрицательно. Мелкие капельки, поляризованные в электрическом поле Земли и подхва­ченные потоком воздуха, своей верхней частью захватывают поло­жительные ионы и заряжаются положительно. Перенесенные в верхнюю

часть облака, они заряжают его положительно. В большинстве случа­ев молнии бывают отрицательными, т.е. переносят на землю отрицатель­ный заряд. Наиболее часто поврежде­ния электроустановок происходят в результате воздействия так называе­мой линейчатой молнии, прозванной так за форму разряда.

Как правило, разряд развивается ступенчато

В процессе растущей поляризации напряженность электрического поля в какой-нибудь точке заряженного облака достигает критической величины (примерно 20—25 кВ/см в зависимости от высоты его расположения). Происходит ударная ионизация воздуха, и по на­правлению к земле развивается слабо светящийся канал, движущий­ся со скоростью 1,5-10⁵ м/с. По пути первого канала, называемого лидер-пилот, со скоростью 10⁷ м/с прорастает лидер разряда, кото­рый представляет собой канал высокой проводимости. После пау­зы, длящейся 30—90 мкс, наступает новое прорастание лидера. Каждая ступень лидера имеет длину около 50 м. Заряд зоны иони­зации лидера такого же знака, что и облако. Этот процесс индук­тирует на поверхности Земли или на ориентируемом объекте поло­жительный заряд. По мере роста напряженности электрического поля между облаком и вышеназванным объектом со стороны пос­леднего по направлению к облаку может начать развиваться встреч­ный лидер, имеющий противоположный по знаку заряд. В момент соединения лидеров, движущихся навстречу друг другу, или в тот момент, когда лидер облака достигает ориентированной поверх­ности, начинается главная стадия разряда. На этой стадии проис­ходит процесс нейтрализации зарядов, направленный от земли к облаку. Скорость этого процесса достигает 15*10⁸м/с, сопровож­дается сильным свечением, по каналу в течение короткого проме­жутка времени (около 50 мкс) протекает большой ток, который разогревает канал до температуры примерно 30 000 °С. В большин­стве случаев длительность разряда молнии составляет 0,1 с, хотя наблюдаются разряды, значительно превышающие ее. Это проис­ходит, когда по одному и тому же каналу протекает несколько раз­рядов, накопленных в разных по высоте местах облака. Таких ком­понентов бывает в среднем два-три, хотя в гористой местности их может быть до десяти; подобная молния многократна и длится по времени до одной секунды.

Интенсивность грозовой деятельности в различных климатиче­ских районах различается очень сильно. Количество гроз в тече­ние года минимально в северных районах страны и постепенно уве­личивается к югу, где повышенная влажность воздуха и высокая температура способствуют образованию грозовых облаков. Одна­ко это правило соблюдается не всегда. Существуют очаги грозо­вой деятельности и в средних широтах, где создаются благоприят­ные условия для формирования местных гроз. Интенсивность по­добной деятельности в данной местности характеризуется общей продолжительностью гроз в часах и показывает, что число ударов молнии в землю зависит от нее.

Число грозовых дней или часов в году определяется на основа­нии многолетних наблюдений метеостанций, а их обобщение по­зволяет составить карты грозовой деятельности, на которые нано­сятся изокеранические линии — линии равной продолжительнос­ти гроз (рис. 1.5).

Наибольшее число гроз наблюдается на о. Ява — в среднем 220 грозовых дней в году, в Центральной Африке — до 150, в Южной Мексике — около 140. В России грозы редки на севере (например, в Карелии примерно 10), в средней полосе — примерно 20—25, в Сибири — 10—15. Грозы в гористых местностях наиболее часты. Карты грозовой деятельности позволяют в полной мере оценить картину ожидаемых атмосферных явлений, прогнозировать часто­ту поражения молнией различных объектов и используются при разработке мероприятий по построению грозозащиты линий и элек­троустановок.

Молния представляет собой источник тока. Ток молнии имеет форму импульса (рис. 1.6). Его параметрами являются: максималь­ное значение Iм, длительность фронта t_ф длительность импульса t_и. Основной количественной характеристикой молнии является ток, протекающий через пораженный объект, который характеризует­ся максимальным значением I_м. Длительность фронта волны — это расстояние, которое определяется проекцией на горизонталь­ную плоскость касательной, проведенной к кривой тока молнии от

момента нарастания тока до его максимального значения. Длитель­ность импульса — это время от момента нарастания тока молнии до того момента, когда во время спада его величина достигнет по­ловины максимального значения. Для тока молнии характерны дли­на фронта волны до 10 мкс и длительность импульса до 100 мкс. Это значит, что ток быстро увеличивается до своего максимально­го значения и затем медленно уменьшается. Максимальные значе­ния тока молнии могут достигать величины до 200 кА.

При прямом ударе молнии в линию электропередачи, ее токе в 100 кА и волновом сопротивлении провода 300 Ом на линии воз­никает напряжение 15000 кВ. Подобные напряжения изоляция воз­душных линий и других электроустановок выдержать не может. В таких случаях вероятно возникновение перекрытия гирлянды изо­ляторов по воздуху, сопровождаемое устойчивым дуговым разря­дом, который в свою очередь поддерживается напряжением источ­ника. Кроме этого хорошо известно, что удары молнии в наземные объекты часто приводят к пожарам и механическим разрушениям. При прохождении тока молнии выделяется определенное количе­ство тепла в проводнике, нагревающее последний. Температура, до которой нагревается проводник, зависит от его сечения, длины, удельной плотности, теплоемкости, сопротивления. На основании опытных данных установлено, что при наиболее интенсивных раз­рядах стальной проводник сечением 50 мм² в течение 1 с нагревает­ся до нескольких сотен градусов.

При прохождении тока молнии по системе проводников между ними возникают механические силы, которые даже при наиболь­ших токах молнии недостаточны для деформации опор линий элек­тропередачи или молниеотводов.

Известно, что ток молнии проходит по путям с наибольшей про­водимостью, которые образуются при увлажнении кирпичных зда­ний, деревянных опор и других объектов, обладающих большим сопротивлением. За счет нагревания и испарения влаги током мол­нии внутри объекта происходит резкое увеличение давления, кото­рое и приводит к его разрушению. Поэтому защита от атмосферных перенапряжений является обязательной для надежной работы элек­троустановок.