1 Захист ліній від блискавки

1.1 Статистичні характеристики параметрів блискавки

Типова форма імпульсу струму в ураженому блискавкою обєкті наведена на рис. 1.1. З погляду блискавкозахисту головним параметром імпульсу струму блискавки iБЛ= iБЛ(t) є амплітуда струму блискавки ІБЛ, яку скорочено називатимемо просто струмом блискавки. Іншим параметром, що впливає на величину перенапруг в ураженому обєкті, є крутизна струму блискавки, тобто швидкість наростання на фронті імпульсу diБЛ/dt. Оскільки миттєві значення швидкості наростання струму в різних точках фронту різні, зазвичай під крутизною струму блискавки розуміють її середнє значення: І'БЛБЛ/τф. Тривалість фронту імпульсу τф, прийнято визначати таким чином. На графіку імпульсу струму відзначають точки фронту, відповідні значенням струму 0,1ІБЛ і 0,9ІБЛ. Через ці точки проводять пряму до перетину з нульовим рівнем струму (віссю абсцис) і з рівнем амплітуди струму; інтервал часу τф (рис. 1.1) називається тривалістю фронту.

Рисунок 1.1 Осцилограма струму блискавки

 

Після досягнення амплітуди імпульс струму блискавки відносно повільно спадає до нульового рівня. Довжину хвилі, або тривалість імпульсу струму блискавки прийнято оцінювати часом напівспаду τхв (рис. 1.1), тобто інтервалом часу від умовного початку імпульсу до того моменту, коли крива, що пройшла через максимум імпульсу, знизиться до значення струму, рівного половині амплітуди. Згодом за першим імпульсом струму блискавки можуть виникати повторні імпульси. У наближених розрахунках використовуються усереднені розподіли І'БЛ та ІБЛ без урахування їх відмінності під час першого і подальших імпульсів. В цьому випадку статистичні розподіли можна апроксимувати експоненціальними функціями вигляду:

;   ,        (1.1)

де Р(ІБЛ) і Р(І'БЛ) імовірність того, що амплітуда (чи крутизна) під час одного удару блискавки перевищить задане значення.

Між амплітудою і крутизною струму блискавки спостерігається слабкий позитивний кореляційний зв'язок, тобто великим амплітудам струму, взагалі кажучи, відповідає і велика крутизна, і навпаки. Однак, в даний час, даних для отримання надійної кількісної оцінки цього звязку недостатньо. Зважаючи на слабкий статистичний звязок між ІБЛ та І'БЛ в розрахунках часто вважають амплітуду і крутизну струму блискавки статистично незалежними випадковими величинами.

Довжина фронту τф і довжина хвилі τхв грозового розряду є випадковими величинами, причому їх статистичні розподіли також істотно розрізняються під час першого і повторних розрядів. Перші розряди характеризуються відносно великими довжинами фронту і великими довжинами хвиль в порівнянні з повторними розрядами.

Довжина фронту для першого розряду блискавки коливається в межах 210 мкс при середній величині 5 мкс. Для повторних розрядів вона істотно менша в середньому 0,6 мкс.

Довжина хвилі у першого імпульсу блискавки складає
20200 мкс при середній величині 75 мкс. У повторних імпульсів вона приблизно вдвічі менша: в середньому 32 мкс. Одноразові блискавки спостерігаються в 20% випадків, а у решті ударів число розрядів блискавки коливається від 2 до 10. В окремих випадках виділялись блискавки з числом розрядів понад 20.

Загальна тривалість багатократного розряду блискавки може досягати однієї секунди, але такі затяжні удари є рідкісним явищем. Велика частина ударів має тривалість не більше 0,3 с. Інтервали часу між повторними розрядами змінюються в межах від 0,01 до 0,5 с, в середньому вони складають 0,06 с.

Для розрахунків перенапруг в обєктах, уражених блискавкою, необхідно прийняти еквівалентну схему (equivalent circuit; substitution circuit) каналу блискавки зі струмом, що стікає в обєкт. Еквівалентний опір залежить від величини струму:

де ZБЛ еквівалентний опір, Ом;

ІБЛ (5 ≤ ІБЛ ≤ 300 кА) величина струму блискавки, кА.

Найбільш обєктивним показником інтенсивності грозової діяльності є число ударів блискавки на 1 км земної поверхні за один грозовий сезон. Якщо відомо число грозових годин на рік, то за одну грозову годину в середньому відбувається 0,060,1 удару блискавки на 1 км земної поверхні, а середня тривалість грози протягом грозового дня складає 1,52 грозових години. За цим припущенням середнє число ударів на 1 км протягом року може бути визначене за формулою:

  або                  (1.2)

де ТГ і ТД відповідно, середньорічне число грозових годин і днів.

Число прямих ударів блискавки (ПУБ) в наземні обєкти можна визначити за формулою:

,

де SР розрахункова площа земної поверхні, з якої удари блискавки стягуються на обєкт.

Для окремого зосередженого обєкта висотою h середньорічне число прямих ударів блискавки може бути визначено за формулою:

,                                     (1.3)

де rекв=3,5h еквівалентний радіус площі, з якої розряди стягуються на обєкт.

Ця формула приблизно описує залежність числа уражень обєкта блискавкою від його висоти при h <150 м. Для великих висот число уражень обєкта негативними низхідними блискавками  зменшується, але швидко збільшується число уражень блискавками з висхідними лідерами, що мають інші характеристики.

Для відкритих розподільних пристроїв високовольтних підстанцій та інших наземних обєктів розрахункове число ударів блискавки протягом року, відповідно до Керівних вказівок із захисту електростанцій і підстанцій 3500 кВ від прямих ударів блискавки, обчислюється за формулою:

де h висота блискавковідводів (або обєкта, якщо блискавковідводи відсутні);

l і b довжина і ширина території підстанції, м.

Для протяжних обєктів (ліній електропередач) прийнято оцінювати число прямих ударів блискавки на 100 км довжини і на 100 грозових годин N*ПУБ. Використовуючи формулу (1.2) і приймаючи ширину смуги, з якої блискавка стягується на частини ліній, рівною 7hcp (hcp середня висота лінії в метрах ), отримаємо:

   ,                  (1.4)

де hоп висота підвісу троса чи верхніх проводів на опорі, м;

f стріла провісу, м.

Для ліній з високими опорами (>30 м) можна застосовувати формулу, враховуючи більш швидке, в порівнянні з лінійною залежністю, збільшення числа ударів блискавки зі зростанням висоти лінії hср:

,                              (1.5)

де b відстань між тросами або верхніми фазними проводами (при відсутності тросів).