Приложение А (справочное). Дополнительная информация о грозовых перенапряжениях

Приложение А
(справочное)

Дополнительная информация
о грозовых перенапряжениях

А.1 Дополнительные данные о параметрах молнии

В таблице 2 раздела 5 приведены некоторые данные о параметрах разряда молнии. Другие соотношения для этих параметров приведены в МЭК 61312-1 в графической форме в виде частоты распределения для следующих параметров:

- достижение максимума тока (рисунок А.1);

- полный заряд (рисунок А.2);

- переходный заряд (рисунок А.3);

- энергетия# W/R (рисунок А.4);

- максимальная производная переходного тока (рисунок А.5);

- производная переходного тока отрицательных последующих разрядов (рисунок А.6).

Рисунок А.1 - Частотное распределение максимального тока молнии

Рисунок А.2 - Частотное распределение полного заряда молнии

Рисунок А.3 - Частотное распределение переходного заряда молнии

Рисунок А.4 - Частотное распределение энергии молнии W/R

Рисунок А.5 - Частотное распределение максимальной производной переходного тока

Рисунок А.6 - Частотное распределение производной тока отрицательных вторичных разрядов

А.2 Пример ожидаемого перенапряжения

Для иллюстрации рассмотрим простейшую цепь, приведенную на рис. А.7. Удар молнии, как предполагается, происходит в точке близко к середине воздушной линии длиной 150 м., соединяющей жилой дом с распределительным трансформатором. Принимаем ток с максимальной величиной величина 50 кА, с формой волны 2/50 мкс.

Рисунок А.7 - Упрощенный пример удара молнии в низковольтную воздушную линию

Пробои проводников на землю происходят в точке вблизи точки попадания молнии, предположим, что сопротивление заземления в этой точке составляет 10 Ом. Кроме того принимаем, что распределительный трансформатор защищен импульсными разрядниками и что сопротивление заземления в этой точке - 5 Ом. В установке потребителя сопротивление заземления нейтрали принимается равным 10 Ом. Наконец, в этом примере предполагается, что нет никакого УЗИП и никакой существенной нагрузки у установки потребителя и что уровень изоляция такой, что пробоя не будет. Установка представлена емкостью 10 пФ.

На рис. А.8 и А.9 показаны вычисленные ожидаемые напряжения в четырех узлах схемы, представленной на рис. А.7 для упомянутых выше предположений. На рис. А.8, самое высокое напряжение возникает в точке попадания молнии (узел 1) и самое низкое напряжение в трансформаторе (узел 2), из-за более низкого сопротивления заземления этого узла. На рис. А.9 ожидаемое напряжение рабочего проводника (узел 4), показано, вместе с напряжением в узле 3, также показанного на рис. А.8. Очевидно, что в действительности эти напряжения привели бы к непосредственному пробою.

Рисунок А.8 - Ожидаемые напряжения относительно земли на линии в точке удара (узел 1), на трансформаторе (узел 2) и в нейтральном проводнике в установке потребителя (узел 3)

Рисунок А.9 - Ожидаемые напряжения относительно земли в узле 3 и в узле 4

На рис. А.10, показаны вычисленные токи на землю для сценария, приведенного на рис. А.7. В начальной фазе токи делятся согласно отношению сопротивлений заземления, ток в узле 2 (трансформатор, с сопротивлением заземления 5 Ом) вдвое больше, чем в двух других узлах, где сопротивление заземления принято 10 Ом.

Рисунок А.10 - Ток на землю в точке удара (узел 1), в трансформаторе (узел 2) и в установке потребителя (узел 3)

А.3 Распространение импульсного воздействия в системах СН

Как пример связи и распространения грозовых перенапряжений, в этом пункте приведены результаты измерений выполненные на типовой системе СН (20 кВ) во Франции (где плотность ударов молнии в землю, приблизительно 2 удара на 1  в год). На рис. А.11 приведена гистограмма пиковых значений записанных в распределительном устройстве трансформатора СН/НН.

Рисунок А.11 - Распределение величин максимальных перенапряжений, записанных в распределительном устройстве трансформатора СН/НН

Следующие типовые количественные значения были записаны для ударов молнии в системы СН.

a) Большинство перенапряжений в системах СН было сгенерировано индуцированными импульсными перенапряжениями. Прямые удары молнии в провода и в конструкции составляли приблизительно только 3% от наблюдаемых импульсных перенапряжений.

b) Из 330 импульсных перенапряжений, записанных в течении одного года, только у 10 импульсных перенапряжений величина была выше чем 70 кВ, они могут быть приписаны к прямому удару молнии в провода или конструкции.

c) Типовой трансформатор СН/НН может подвергаться каждый год 75 - 150 импульсным перенапряжениям, имеющих максимальное значение между 20 кВ и 70 кВ, и 6 импульсных перенапряжений, достигающих максимального значения выше чем 70 кВ.

d) Импульсные разрядники приняли приблизительно 4% грозовых перенапряжений до 70 кВ, в то время как искровые разрядники приняли только 2% грозовых перенапряжений 80 кВ.

е) Записанная продолжительность фронта волны кажется независимой от максимального значения импульсного перенапряжения. Среднее значение этой продолжительности - 55 мкс. Вероятность, что продолжительность фронта волны может быть более чем 15 мкс, составляют 90%.

А.4 Статистическое распределение грозовых перенапряжений в установке СН

Сравнение выполнялось между результатами измерений, согласно моделированию ЕМТР с использованием статистического метода Монте-Карло. На рис А.12 приведена моделируемая система, которая состоит из распределительного трансформатора 100 кВА, питающего четырехпроводную воздушную линию длиной 1 км, провода расположены на 6 м выше земли и на расстоянии в 0,3 м друг от друга. Линия СН принята длиной 2 км для рассмотрения прямого удара молнии в линию СН с передачей воздействия через трансформатор.

Метод Монте-Карло позволяет проанализировать 1 000 000 ударов молнии, при принятой плотности ударов молнии - 2,2 удара на 1  в год, на площади 20 х 30 км вокруг линии. Чтобы достигнуть этого результата потребовалось бы 670 лет наблюдений. Величина разрядов была распределена согласно данным CIGRE [1], [2]. Прямые удары в линию не учитывались, но предполагается, что они вызывают перенапряжения выше 20 кВ, верхний предел распределения приведен на рис. А.13.

В части графика, относящегося к более высоким значениям перенапряжений, различия между вычисленными и измеренными значениями могут быть объяснены тем фактом, что в установке СН, пробой может произойти прежде, чем будет достигнут уровень в 10 кВ, что уменьшает снижение в графике, полученном в результате измерений по сравнению с вычисленными данными.

Рисунок А.12 - Схема, используемая для статистического анализа

Рисунок А.13 - Сравнение измеренных и рассчитанных перенапряжений

А.5 Распределение тока молнии среди параллельных установок

Если молния ударяет в здание, которое является одним из нескольких запитанных параллельно от системы НН, ток на землю разделяется и идет по разным путям. Они включают: локальную землю, систему заземления здания, так же как и удаленные заземленные точки через металлические пути, прежде всего через кабель электропитания. Чтобы определить количественно это распределение рассмотрим пример, приведенный на рис. А.14 для двух зданий, питающихся от подстанции, когда здание 1 поражается молнией как определено в МЭК 62305-4.

Для здания 1 на рис. А.14, введенный ток стекает с молниеприемника по токоотводу к заземлителю (Р1). В той точке, ток молнии делится на две части, текущий в локальную землю, и , текущий через кабель электропитания к удаленной земле. Эти два тока делятся обратно пропорционально отношению импедансов относительно (Р1). В начальной фазе импульсного тока, текущее разделение определяется отношением индуктивностей, в то время как в конце, где уровень изменения низок, разделение определяется отношением сопротивлений как в (1):

,

(А.1)

Когда несколько зданий подключены параллельно, эффективное сопротивление уменьшается в соответствии с формулой А.1, поскольку часть тока молнии, текущего в систему НН увеличится, когда большее количество зданий будет соединено параллельно.

Рисунок А.14 - Модель для вычисления распределения тока молнии между параллельными зданиями (система TN-C)

В точке присоединения здания 2 к кабелю питания (рис. А.14), ток молнии приходящий со стороны здания 1 и перенесенный кабелем питания стремится к земле и делится на две части, одна