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 к вводу здания 2, другая к трансформаторной подстанции к заземлителю. В трехфазной системе TN-C, кабель включает три фазных и PEN проводник. Часть тока на вводе здания 2, перенесенном всеми четырьмя проводниками, включая PEN проводник непосредственно подключенный к заземлителю через ГЗШ. В этом случае ток, текущий в PEN проводнике, несколько облегчает работу трех УЗИП, установленных на вводе, за счет переноса одной трети тока на вводе в здание через рабочие проводники.

На рис А.15 приведены формы волны и амплитуды токов для здания 1 и здания 2. Сверху донизу по пути ток молнии (принято максимальное значение тока 100 А) делится на, ток уходящий по силовому кабелю, ток текущий непосредственно на заземлитель здания 1 и полный ток в трех УЗИП здания 2. Необходимо отметить, что в этом примере УЗИП на вводе здания 2 должны допускать максимальный ток больше чем 8 kA, даже для расстояния 100 м между двумя зданиями. Эта ситуация объясняется фактом, что 100 м кабеля добавляют только 0,1 Ом на пути тока , который течет через два сопротивления заземления, каждые по 10 Ом, здания 2 и трансформаторной подстанции. Результаты моделирования - также показывают, что отношение этих двух индуктивностей в начале процесса определяет первоначально больший ток через заземлитель здания 1, но после того, как эффект от влияния индуктивности уменьшается, токи действительно делятся согласно отношению сопротивлений заземления.

Примечание - В вычислениях для примеров на рис. А.14 (и рис. А.16), не учитываются емкости (электропроводки, кабели и оборудование). Если бы эти емкости были учтены, то были бы замечены некоторые отклонения на осциллограммах. Однако, эти отклонения имеют незначительное практическое значение для этого исследования, в котором распределение тока среди различных проводников - главный вопрос.

Рисунок А.15 - Распределение тока молнии по направлениям, определенным на рис. А.14

Частичный ток молнии, текущий в каждом заземлителе, приводит к перенапряжениям за счет импедансов, между локальной землей и рабочими проводниками , и здания 2. Чтобы проиллюстрировать эту ситуацию, вычисления выполнялись для модели, приведенной на рис. А.14, за исключением того, что никакие УЗИП не были установлены на вводе здания 2, как показано на рис.А.16. Для этой ситуации, как показано на рис. А. 17, для обозначенной модели предполагаемое максимальное перенапряжение составляет 200 кВ ( на рис А.16) между каждым из проводников линии и PEN проводником. В реальной ситуации это перенапряжение приведет к пробою или вызовет другие повреждения в присоединенном оборудовании. На рисунке А.17 также показаны токи в заземлителях здания 1 и здания 2. Отметьте что после начальной части, где индуктивность имеет определяющее значение, можно ожидать, что ток будет одинаково разделен среди трех заземлителей систем заземления этих двух зданий и трансформаторной подстанции, которые как это было принято, имели одинаковое сопротивление заземления.

Рисунок А.16 Модель для вычисления распределения тока молнии между зданиями (система TN-C, здание 2 без молниезащиты и УЗИП на вводе)

Рисунок А.17 - Ток и напряжение для примера на рис. А.16

Моделирование, указанное выше, проводится с использованием известной программы PSPICE, в то время как моделирование Mansoor проводилось по не менее известной программе ЕМТР.

Как общее заключение можно сказать, что чем выше плотность застройки в данной зоне, тем большая часть гока молнии течет к заземлителю через питающий кабель НН поражаемого здания. Это заключение распространяется как на поражаемое здание, так и на смежные здания.