4.5. Атмосферні перенапруги

4.5.1. Параметри блискавки

Блискавка – це електричний розряд між хмарою і землею або між хмарами. На початковій, лідерній стадії, блискавка являє собою відносно повільний слабко розвиваючий світний канал (лідер). Зона іонізації лідера має надлишковий заряд того ж знака, що і хмара. Заряди хмари і лідера індукують на поверхні землі і на розташованій на ній об'єктах заряди іншого знака, які можуть ініціювати зустрічні лідери, що мають заряди, за знаком зворотні заряду лідера. Коли канал лідера, що розвивається від хмари, наближається до землі або до одного із зустрічних лідерів, то між ними на відстані 25…100 м виникає висока напруженість електричного поля, середнє значення якої оцінюється в 10 кВ/см. Цей проміжок пробивається за кілька мікросекунд, у ньому виділяється енергія порядку 0,5..5,0МДж, що витрачається на нагрівання і термоіонізацію. Провідність цієї частини каналу різко зростає, і зона підвищеної напруженості переміщається в напрямку до хмари зі швидкістю від 1,5 × 10⁷ до 1,5 × 10⁸ м/с (0,05–0,5 від швидкості світла). Цей процес, називаний головним розрядом, супроводжується сильним світінням каналу розряду. Струм у каналі за 5...10 мкс досягає десятків і навіть сотень кілоампер, а потім за час 25...200 мкс спадає до половини амплітудного значення. Під час головного розряду відбувається нейтралізація зарядів лідера.

До основних параметрів блискавки відносять:

·        амплітуда струму блискавки I_н (кА);

·        крутість фронту струму блискавки а (кА/мкс); ,

де τ_ф – тривалість фронту струму блискавки;

·        імовірність амплітуди струму блискавки P(I_М) = exp(–0,04I_м),

·        імовірність крутості струму блискавки P(a) = exp(–0,08 a),

де P(I_M) і P(a) – імовірності того, що відповідно струм блискавки і крутість будуть рівні або перевищать задані значення.

При розрахунках блискавкозахисних ЛЕП, підстанцій або інших об'єктів важливо знати інтенсивність грозової діяльності в даній місцевості, що характеризується середнім числом грозових годин у році D_г. Іншою характеристикою грозової діяльності є середнє число ударів блискавки n_уд в 1км² поверхні землі за 100 грозових годин. Значення n_уд = 6,7 1/км² за 100 грозових годин.

4.5.2. Блискавковідводи

Захист від прямих ударів здійснюється за допомогою блискавковідводів. Блискавковідвід являє собою пристрій, що піднімається над захисним об’єктом, що, через який струм блискавки, минаючи захисний об’єкт, що, відводиться в землю. Блискавковідвід складається з блискавкоприймача, що безпосередньо сприймає на себе удар блискавки, струмовідводу і заземлювача.

Захисна дія блискавковідводів заснована на тому, що під час лідерної стадії на вершині блискавковідводу зосереджуються заряди і найбільші напруженості електричного поля створюються на шляху між лідером, що розвивається, і вершиною блискавковідводів. Виникнення і розвиток із блискавковідводу зустрічного лідера ще більш підсилює напруженості поля на цьому шляху, що остаточно визначає удар у блискавковідвід. Об'єкт, що захищає, більш низький, чим блискавковідвід, будучи розташований поблизу від нього, виявляється заекранованим блискавковідводом і зустрічним лідером і тому практично не може бути уражений блискавкою.

Захисна дія блискавковідводу характеризується його зоною захисту, тобто  простором поблизу блискавковідводу, імовірність влучення блискавки в яке не перевищує певного, досить малого значення.

Блискавковідводи по типі блискавкоприймачів розділяються на стрижневі і тросові. Стрижневі блискавковідводи виконуються у вигляді вертикально встановлених стрижнів (щогл), з'єднаних із заземлювачем, а тросові - у вигляді горизонтально підвішених проводів. По опорах, до яких кріпиться трос, прокладаються струмовідводи, що з'єднують трос із заземлювачем.

Відкриті розподільні пристрої підстанцій захищаються стрижневими блискавковідводами, а лінії електропередачі - тросовими. Для захисту шинних мостів і гнучких зв'язків великої довжини також можуть застосовуватися тросові блискавковідводи.

4.5.2.1. Зони захисту блискавковідводів

Зона захисту одиночного блискавковідводу висотою h £ 150 м являє собою круговий конус (рис. 4.24) з вершиною на висоті h₀ < h, перетин якого на висоті h_x має радіус r_x.

Рис. 4.24. Перетин зони захисту одиночного стрижневого блискавковідводу:
МО – блискавковідвід; ЗО – захисний об’єкт,; h – висота блискавковідводу;
h₀ – верхня точка зони захисту блискавковідводу при ймовірності прориву
блискавки Р_пр2; h_x – висота об'єкта, що захищається; r_x - радіус зони
захисту на висоті h_x; r_з - опір заземлення блискавковідводу
; h_а - активна висота блискавковідводу

Границі зони захисту знаходяться за формулами:

                      h₀ = 0,85h, r_x  = (1,1 – 0,002h)(h – h_x / 0,85).             (4.33)

Імовірність прориву блискавки через Р_пр1 границю зони не більше 0,005. Якщо допустити ймовірність прориву блискавки Р_пр2 = 0,05, то зона захисту розширюється й описується формулами:

                               h₀ = 0,92h, r_x = 1,5(h – h_x / 0,92).                      (4.34)

Зона захисту двох стрижневих блискавковідводів, що перебувають поблизу один від одного (на відстані, меншій (3–5)h), розширюється в порівнянні із зонами окремих блискавковідводів. Виникає додатковий обсяг зони захисту, обумовлений спільною дією двох блискавковідводів. Зони захисту подвійного стрижневого блискавковідводу (рис. 4.25) описуються формулами, які можна знайти в спеціальній літературі. Якщо відстань l між блискавковідводами перевищує 3h (P_пр = 0,005) або
5h (P_пр = 0,05), то кожний із блискавковідводів варто розглядати як одиночний. Трохи близько розташовані блискавковідводи (наприклад, три і більше) утворять «багаторазовий» блискавковідвід. Його зона захисту визначається зонами захисту найближчих блискавковідводів.

При цьому приймається, що внутрішня зона має ймовірність прориву таку ж, як і зона взятих попарно блискавковідводів

Рис. 4.25. Зона захисту подвійного стрижневого блискавковідводу:
а – перетин вертикальною площиною, що проходить через осі блискавковідводів; б – перетин горизонтальною площиною на висоті h_x; h – висота блискавковідводу;
 h₀ – верхня точка зони захисту; h_min – мінімальна висота зони захисту;
 – відстань між блискавковідводами; d_x – мінімальна напівширина зони
захисту на висоті h_x; r_x – радіус зовнішньої зони захисту на висоті h_x

4.5.3. Грозозахист ліній електропередачі

4.5.3.1. Індуктивні перенапруги на ЛЕП

При ударах блискавки в землю поблизу ліній електропередачі на ізоляцію лінії впливають індуктивні перенапруги. Індуктивні перенапруги мають електричну і магнітну складові:

                                           U_инд = U_{и. э} + U_{и. м.}.                                 (4.35)

Заряди лідерного каналу блискавки зв'язують на проводі заряди протилежного знака (рис. 4.26).