История электротехники - Коллектив авторов

Появление первых линий электропередачи напряжением 110 кВ поставило вопрос об их электромагнитном влиянии на линии связи и железнодорожной блокировки, особенно сильном при коротких замыканиях и перенапряжениях. В 1923 г. были выпущены временные указания, а в 1925 г. — «Правила ограждения линий слабого тока от вредного влияния установок сильного тока». Эти, по существу, первые работы по электромагнитной совместимости электроустановок продолжались в 1938–1939 гг. специально созданной комиссией под председательством проф. Л.И. Сиротинского. Комиссия усовершенствовала «Правила ограждения сооружений связи и сигнализации от вредного воздействия установок сильного тока», а также разработала нормативы по защите устройств связи от опасного и мешающего влияния линий электропередачи напряжением 400 кВ.

В послевоенные годы проблема была передана в ведение связистов, и в настоящее время действуют «Правила защиты устройств проводной связи, железнодорожной сигнализации и телемеханики от опасного и мешающего влияний линий электропередачи».

Анализ аварий, произошедших в 1929–1931 гг. на линиях напряжением до 110 кВ и связанных с грозовыми перенапряжениями, показал, что прямой удар молнии в линию не такое редкое явление, как предполагалось раньше, и представляет значительно большую опасность, чем индуцированные перенапряжения.

Для исследования молнии рядом организаций (ВЭИ совместно с «Мосэнерго», Энергетическим институтом им. Г.М. Кржижановского, «Донбассэнерго» с участием ЛЭТИ и ХЭТИ) в 1932–1938 гг. была развернута сеть полевых станций и лабораторий. С 1936 г. начата массовая установка ферромагнитных регистраторов в энергосистемах. Регистраторы представляют собой цилиндрические стерженьки из магнитного материала, которые располагаются вдоль силовых линий магнитного поля, образуемого током молнии. По остаточной намагниченности феррорегистраторов определяется максимальное значение тока молнии. В результате обширных измерений была получена кривая распределения вероятностей амплитуд токов молнии:

С 1938 г. было организовано меньшее по масштабам измерение максимальной крутизны фронта тока молнии.

С помощью фотокамер с быстро вращающейся фотопленкой (камер Бойса) было установлено, что разряд молнии состоит из двух стадий: лидерной, характеризующейся сравнительно небольшими током и скоростью развития, и главной с токами до 200 кА и скоростями развития, доходящими иногда до 0,5 скорости света.

Энергетическим институтом им. Г.М. Кржижановского при содействии Гидрометеослужбы была составлена карта грозовой деятельности на территории страны по данным 640 метеостанций, полученным за 1920–1940 гг.

В JO-е годы в ЮАР были развернуты широкие исследования молнии с помощью камеры Бойса. Впервые было обнаружено ступенчатое развитие лидеров, развивающихся с отрицательно заряженных облаков, и получены данные по скоростям различных стадий и компонентов молнии.

В 1935 г. начаты исследования молнии, поражающей небоскреб Эмпайр стейт билдинг в Нью-Йорке (высота 410 м). Обнаружены ступенчатые лидеры, развивающиеся вверх от здания к облаку.

Параллельно в ряде лабораторий проводилось изучение искровых разрядов в длинных воздушных промежутках, показавшее в общих чертах аналогию длинной искры и молнии.

В 1930–1938 гг. в ВЭИ А.А. Акопяном были проведены работы на моделях по исследованию защитного действия молниеотводов [5.17]. В качестве аналога молнии использовался искровой разряд. В результате трудоемких опытов были определены зоны защиты стержневых и тросовых молниеотводов, причем впервые для двух и нескольких молниеотводов. Полученные результаты позволили с необходимой эффективностью рассчитывать защиту линий электропередачи и открытых распределительных устройств (ОРУ) подстанций от прямых ударов молнии. Более чем полувековой опыт эксплуатации молниезащитных устройств подтверждает обоснованность и надежность рекомендаций ВЭИ.

В более поздних американских исследованиях 1941–1942 гг. использовалась, по существу, методика, обоснованная и принятая ВЭИ.

В 1968–1975 гг. комплексные исследования молний, поражающих Останкинскую телебашню (высота 540 м), проводились Энергетическим институтом им. Г.М. Кржижановского [5.18]. Было установлено, что телебашня поражается в среднем 30 раз в год. Поражение ее нисходящими молниями (облако — башня) происходит примерно в 8% случаев, остальные разряды восходящие (башня — облако). Около 7% ударов поражают телебашню заметно ниже ее вершины. Наблюдались удары молнии в землю на небольшом расстоянии от телебашни (до 150 м). Этот эффект успешно объясняется с помощью развитого в последние два десятилетия электрогеометрического метода.

При ударе молнии в воздушную линию электропередачи — в фазный провод или в опору (трос) с последующим перекрытием изоляции — на проводе возникает импульс грозового перенапряжения. Эти импульсы, распространяясь по проводам, достигают подстанций и могут быть опасными для электрооборудования. Существенное значение имеют при этом затухание и деформация импульсов вследствие коронирования проводов и связанных с ним потерь энергии. Экспериментальное исследование указанных процессов было проведено в Харьковском электротехническом институте на линиях напряжением 35 и 110 кВ с помощью генератора импульсных напряжений. Теоретическое исследование влияния на затухание формы импульса, его амплитуды и длины пробега импульса проведено в 1938–1939 гг. проф. A.M. Залесским (ЛПИ). Исследование заземлителей при прохождении импульсов тока в полевых условиях и на моделях проводилось в ВЭИ, ХЭТИ и МЭИ.

Обобщение и изучение эксплуатационного опыта молниезащиты было сосредоточено в ЦНИЭЛ (теперь ВНИИЭ).

Результаты глубоких экспериментальных и теоретических исследований и обобщение опыта эксплуатации находят отражение в периодически выпускаемых «Руководящих указаниях по защите от перенапряжений» (1935, 1941, 1946, 1954 гг., проекты РУ 1964, 1965 и 1975 гг., последние «Руководящие указания по защите от грозовых и внутренних перенапряжений электрических сетей 6–1150 кВ ЕЭС России», НИИПТ, 1994 г.).

К настоящему времени сложилась следующая практика молниезащиты электроэнергетических систем. В качестве своего рода авангарда выступают воздушные линии электропередачи, которые могут поражаться молнией достаточно часто — десятки раз в год, в то время как ОРУ подстанций — всего один раз в несколько лет или десятилетий. В значительном числе случаев изоляция линии электропередачи не может выдержать напряжение, возникающее на ней при ударе молнии в элементы линии (тросы, провода, опоры), и перекрывается. Нормальный режим работы на линиях напряжением 110 кВ и выше восстанавливается с помощью АПВ, на линиях напряжением 6–35 кВ — посредством компенсации емкостного тока замыкания на землю с помощью включаемого в нейтраль дугогасящего реактора [5.19; 5.20].

Поскольку повышать электрическую прочность линейной изоляции, увеличивая длину гирлянд и изоляционных воздушных промежутков, нецелесообразно, то снижение вероятности перекрытия изоляции при ударах молнии в опору производится путем уменьшения сопротивления заземления опор, а снижение вероятности удара молнии в провода — путем надлежащего подвеса защитных тросов. Установлено, что защитный угол троса должен составлять 20–30°. На линиях СВН и УВН, имеющих очень высокие разрядные напряжения гирлянд изоляторов, основной причиной грозовых отключений (до 70%) являются пробои воздушного промежутка трос — фазный провод при ударах молнии в трос в средней части пролета (В.П. Ларионов, МЭИ).

Особую озабоченность вызывает так называемая опасная зона — участок линии перед подстанцией длиной 1–3 км. При ударах молнии в эту зону появляющиеся на проводах грозовые импульсы имеют недостаточную длину пробега до электрооборудования подстанции, поэтому они слабо деформируются, прежде всего мало снижается крутизна их фронта, и они могут представлять опасность для оборудования. По этой причине в пределах опасной зоны снижаются по возможности сопротивления заземления опор и уменьшается защитный угол тросов.

На линиях с деревянными опорами защитный трос подвешивается только в пределах опасной зоны. При этом разрядное напряжение изоляции на первой подтросовой опоре оказывается практически вдвое ниже, чем на линии, и именно на этой опоре могут часто возникать перекрытия изоляции. Защита последней осуществляется трубчатыми разрядниками (РТ). С помощью РТ производится также защита ослабленных точек линии (например, изоляции переходных металлических опор на линиях с деревянными опорами), а также пролетов пересечения линий разного номинального напряжения.

Защита электрооборудования подстанций от набегающих с линий импульсов грозовых перенапряжений осуществляется с помощью нелинейных ограничителей перенапряжений (ОПН) или вентильных разрядников (РВ). Оптимальная установка защитных аппаратов на территории подстанции рассчитывается с помощью анализаторов молниезащиты, разработанных впервые в ЛПИ, или с помощью ЭВМ.