1 Захист ліній від блискавки

1.1 Статистичні характеристики параметрів блискавки

Типова форма імпульсу струму в ураженому блискавкою об’єкті наведена на рис. 1.1. З погляду блискавкозахисту головним параметром імпульсу струму блискавки i_БЛ= i_БЛ(t) є амплітуда струму блискавки І_БЛ, яку скорочено називатимемо просто струмом блискавки. Іншим параметром, що впливає на величину перенапруг в ураженому об’єкті, є крутизна струму блискавки, тобто швидкість наростання на фронті імпульсу di_БЛ/dt. Оскільки миттєві значення швидкості наростання струму в різних точках фронту різні, зазвичай під крутизною струму блискавки розуміють її середнє значення: І'_БЛ=І_БЛ/τ_ф. Тривалість фронту імпульсу τ_ф, прийнято визначати таким чином. На графіку імпульсу струму відзначають точки фронту, відповідні значенням струму 0,1·І_БЛ і 0,9·І_БЛ. Через ці точки проводять пряму до перетину з нульовим рівнем струму (віссю абсцис) і з рівнем амплітуди струму; інтервал часу τ_ф (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 τ_хв (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 І_БЛ без урахування їх відмінності під час першого і подальших імпульсів. В цьому випадку статистичні розподіли можна апроксимувати експоненціальними функціями вигляду:

;   ,        (1.1)

де Р(І_БЛ) 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 зв’язку недостатньо. Зважаючи на слабкий статистичний зв’язок між І_БЛ та І'_БЛ в розрахунках часто вважають амплітуду і крутизну струму блискавки статистично незалежними випадковими величинами.

Довжина фронту τ_ф і довжина хвилі τ_хв 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 2–10 мкс при середній величині 5 мкс. Для повторних розрядів вона істотно менша – в середньому 0,6 мкс.

Довжина хвилі у першого імпульсу блискавки складає
20–200 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 об’єктах, уражених блискавкою, необхідно прийняти еквівалентну схему (equivalent circuit; substitution circuit) каналу блискавки зі струмом, що стікає в об’єкт. Еквівалентний опір залежить від величини струму:

де Z_БЛ – еквівалентний опір, Ом;

І_БЛ – (5 ≤ І_БЛ ≤ 300 кА) величина струму блискавки, кА.

Найбільш об’єктивним показником інтенсивності грозової діяльності є число ударів блискавки на 1 км² земної поверхні за один грозовий сезон. Якщо відомо число грозових годин на рік, то за одну грозову годину в середньому відбувається 0,06–0,1 удару блискавки на 1 км² земної поверхні, а середня тривалість грози протягом грозового дня складає 1,5–2 грозових години. За цим припущенням середнє число ударів на 1 км² протягом року може бути визначене за формулою:

  або                  (1.2)

де Т_Г і Т_Д – відповідно, середньорічне число грозових годин і днів.

Число прямих ударів блискавки (ПУБ) в наземні об’єкти можна визначити за формулою:

,

де S_Р – розрахункова площа земної поверхні, з якої удари блискавки «стягуються» на об’єкт.

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

,                                     (1.3)

де r_екв=3,5·h – еквівалентний радіус площі, з якої розряди «стягуються» на об’єкт.

Ця формула приблизно описує залежність числа уражень об’єкта блискавкою від його висоти при h <150 м. Для великих висот число уражень об’єкта 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 об’єктів розрахункове число ударів блискавки протягом року, відповідно до Керівних вказівок із захисту електростанцій і підстанцій 3–500 кВ від прямих ударів блискавки, обчислюється за формулою:

де h – висота блискавковідводів (або об’єкта, якщо блискавковідводи відсутні);

l і b – довжина і ширина території підстанції, м.

Для протяжних об’єктів (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 7·h_cp (h_cp – середня висота лінії в метрах ), отримаємо:

   ,                  (1.4)

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

f – стріла провісу, м.

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

,                              (1.5)

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