Поняття про грозу й атмосферні перенапруги

Комутаційні перенапруги в сільських мережах напругою до 110 кВ не представляють істотної небезпеки для правильно обраної ізоляції електроустановок і тому тут не розглянуті. Основним видом перенапруг, від яких слід захищати сільські електроустановки, є перенапруги, викликані атмосферними явищами, і в першу чергу грозою.

Причина грози - грозова хмара, яка утворюється із дрібних крапель води - водяного пилу. Внаслідок висхідних повітряних потоків вона піднімається у верхні шари атмосфери й утворює хмари. По шляху краплі електризуються через тертя об повітря й здобувають звичайно негативний заряд, тобто нижня частина хмари заряджена негативно. У свою чергу, земля як друга обкладка своєрідного величезного конденсатора одержує позитивний заряд. Напруженість електричного поля між грозовою хмарою й землею в середньому становить 10 кВ/м, однак у місцях, де на землі є гострі предмети, напруженість збільшується й може навіть спостерігатися світіння через так званий коронний розряд.

Якщо напруженість електричного поля перевищить електричну міцність повітря 25...30 кВ/см, то створюються умови для утворення блискавки. Блискавки можуть бути різних видів - лінійна, кульова, та ін. З погляду можливих ушкоджень електроустановок становить інтерес лінійна блискавка між хмарою й землею.

Приблизно 50 % лінійних блискавок складається із трьох-чотирьох повторних розрядів або більше. Інтервали між розрядами становлять від тисячних до сотих часток секунди. Перший розряд звичайно найдужчий. Кожний розряд складається із передрозрядного процесу й самого розряду. Передрозрядный процес являє собою східчастий пробій повітря, так званим лідером, що рухається щаблями по 50...100 м із зупинкою на 10...100 мкс. Швидкість просування лідера становить близько 1000 км/с. Коли лідер досягає землі або зустрічного лідера від землі до хмари, по каналу, що утворювався, спрямовується головний розряд зі швидкістю 50... 150 тис. км/с.

Довжина лінійної блискавки, що представляє собою величезну іскру, становить звичайно сотні й тисячі метрів, а між хмарами - навіть десятки кілометрів. Струм блискавки стрімко зростає до 30...40кА. Зареєстровані блискавки із силою струму сотні кілоампер, але вони бувають рідко, і їх ураховують тільки при захисті особливо відповідальних об'єктів.

Під час розряду температура каналу в повітрі досягає 20 000 "С. При цьому повітря швидко розширюється і як би вибухає, що викликає сліпучий світловий імпульс і гуркіт грому.

Крива залежності U=fit) розряду блискавки має форму аперіодичного імпульсу або хвилі напруги (ри. 14.1). За час tx воно швидко зростає до максимуму Umax, який називають амплітудою перенапруги, а потім відносно повільно зменшується. Час tu за яке напруга блискавки зростає від нуля до амплітудного значення, називають фронтом хвилі. Час t₂ від початку процесу до зниження напруги, рівного 50 % амплітуди на спадаючій частині імпульсу або хвилі, називають довжиною хвилі. Для усередненої характеристики імпульсу або хвилі блискавки визначають = 1,67 А4, a t₂= ОС, причому пряму OD проводять через точки на кривій імпульсу, рівні 0,30Clmax і 0,90£/_тах. Фронт хвилі = 1,2 мкс і довжина хвилі t₂ - 50 мкс.

Максимальна напруга лінійної блискавки становить сотні тисяч і навіть мільйони вольт, тобто потужність її величезна.

Рис. 14.1. Залежність напруги від часу при атмосферному перенапруженні

Однак внаслідок того, що тривалість дії блискавки дуже мала (десятки мікросекунд), кількість виділюваної енергії незначно. Сумарний заряд, створений блискавкою, звичайно рівний 20...100 Кл.

Грози - украй розповсюджені явища. На земній кулі щосекунди вдаряє близько 100 блискавок. Оскільки грози носять головним чином тепловий характер, число грозових годин у році по мірі просування до півночі, як правило, зменшується.

Найбільш важкі наслідки мають місце при прямому ударі блискавки в об'єкт. Це насамперед вплив амплітуди хвилі перенапруги, яка досягає мільйонів вольтів і практично пробиває будь-яку ізоляцію. Крім того, блискавка розщеплює дерев'яні стійки й траверси опор ліній електропередачі, руйнує кам'яні й цегельні будівлі, викликає пожежі й т.п.

Електростатичне й електромагнітне поля, пов'язані з головним розрядом блискавки, індуктують напруги на проводах ліній, що проходить поблизу місця удару. Напруги можуть досягати сотень тисяч вольт. Цей индуктований імпульс або хвиля поширюється зі швидкістю, близькою до швидкості світла по всіх электрически зв'язаних лініях, і приводять до ушкодження в місцях з найбільш слабкою ізоляцією, іноді за кілька кілометрів від місця удару блискавки.

Розглянемо характер руху хвилі по проводах лінії, що мають тільки ємнісний і індуктивний опори, причому хвиля має прямокутну форму, тобто фронт хвилі дорівнює нулю, а довжина хвилі дорівнює нескінченності.

У цьому ідеалізованому випадку швидкість руху хвилі по проводах без активних опорів

де L₀ і С₀ - індуктивність і ємність лінії на 1 км довжини.

Швидкість руху хвилі по повітряних лініях передачі близька до швидкості світла й становить близько 300 тис. км, або 300 м/мкс. У кабельних лініях ця швидкість в 2 рази нижче й становить 150...160 м/мкс.

Хвиля напруги, що рухається по провіднику, супроводжується такою же за формою хвилею струму. У кожний момент часу вони зв'язані величиною, яку називають хвильовим опором лінії,

рівним

Повітряні лінії мають хвильовий опір порядку 400 Ом, а кабельні - 3...40 Ом.

Корисно розглянути деякі крайні випадки.

У реальних лініях з імпульсом звичайної форми (рис. 14.1) і при наявності активного опору й особливо активних втрат енергії імпульсу на корону, тобто на випромінювання в навколишнє повітря, коефіцієнти переломлення й відбиття, а також амплітуда падаючої хвилі повинні визначатися для конкретних умов.

Хвильові процеси в обмотках трансформаторів і електричних машин відрізняються від процесів у лініях електропередачі значною складністю. Тому в більшості випадків їх визначають експериментально й часто оцінюють тільки якісно.