L'impatto dei fulmini colpisce l'occurrence di guasto nelle linee di trasmissione di potenza

L'impatto dei fulmini colpisce l'occurrence di guasto nelle linee di trasmissione di potenza

Gli scioperi fulmini rappresentano uno dei fenomeni naturali più imprevedibili e potenti che interessano i sistemi di alimentazione elettrica. Ogni anno centinaia di migliaia di lampi hanno colpito le linee di trasmissione e il loro terreno circostante, iniettando enormi correnti di sovratensione che possono interrompere il funzionamento normale. Il rapporto tra attività fulmine e guasti del sistema di alimentazione è fondamentale per capire per la progettazione di griglie robuste e resistenti.

Le linee di trasmissione di potenza, a causa della loro geometria estratta e della loro ampia portata geografica, sono obiettivi naturalmente attraenti per il fulmine. In molte regioni, le interruzioni causate dai fulmini rappresentano una frazione significativa di tutte le interruzioni della linea di trasmissione. Secondo Studi EPRI, il fulmine è responsabile per il 30% al 70% dei guasti lineari nelle aree con alti livelli isokeraunici (numero di costi di fulmini di data di fine di fulmine).

La fisica dell'interazione fulmine con le linee di trasmissione

Il fulmine si sviluppa come una massiccia scarica elettrostatica tra regioni cariche all'interno di una nube di temporale e di terra, o tra le nuvole. Quando un leader ascendente passo in basso si avvicina alla vicinanza di una linea di trasmissione, il campo elettrico intenso (spesso superiore a diversi milioni di volt al metro) può innescare verso l'alto i leader di collegamento dai conduttori di fase, i fili di scudo, o i piani di torre.

Lo sciopero a un filo di scudo o a un piano di torre ancora inietta energia di sovratensione che viaggia sia nella terra attraverso la resistenza di piedi della torre e lungo i fili dello scudo. Questo aumento può indurre alte tensioni sui conduttori di fase tramite accoppiamento elettromagnetico. Anche uno sciopero a terra vicino alla linea può produrre sovratensioni indotte – conosciute come impalcature indotte dal fulmine – che possono superare la resistenza di isolamento

La gravità del guasto risultante dipende da diversi fattori:

• L'ampiezza e la ripida della corrente di illuminazione:[ Le correnti di picco più elevate e i tempi di aumento più rapidi producono sovratensioni più grandi e sollecitazioni meccaniche.
• Impedenza arrotondante:[ La resistenza ai piedi della torre influenza drammaticamente le onde riflesse e l'accumulo di tensione attraverso gli isolatori.
• Livello di isolamento:[ Il livello di isolamento di base (BIL) determina la soglia di tensione in cui si verifica il flashover.
• Proximity to substations or deboli points:[ I sostegni possono essere amplificati in punti di discontinuità, come terminazioni via cavo o compensazione della serie.

Tipi di guasti causati da fulmini

I guasti avviati dai fulmini possono essere classificati in due categorie: permanenti e transitori. Le Utilities devono distinguere tra loro per decidere su strategie di protezione e ripristino appropriate.

Prese permanenti

I guasti permanenti derivano da danni fisici che non possono essere chiariti semplicemente de-energizing la linea e poi tentano di rinchiudere. Esempi includono corde isolanti frantumate, conduttori rotti, hardware danneggiato, o la combustione di armi da traversa in legno o pali (nella distribuzione). Quando l'energia fulmine è estremamente alta o quando la corrente di seguito dal sistema di alimentazione sostiene un arco di potenza, calore e lo stress meccanico può vaporizzare i conduttori di guasto rinforzati, in acciaio.

Predefinizioni transitorie (Temporaria)

I difetti transienti sono molto più comuni. Un sovratensione indotta dai fulmini causa un flashover attraverso una stringa isolante, creando un percorso di conduzione per la corrente di avanzamento della frequenza di potenza. Questo arco può essere spento da interruttori di circuito moderni in 2-5 cicli (30-80 ms), soprattutto se la linea è dotata di relè di alta velocità di ripiego.

Alcuni flashover possono evolversi in un difetto permanente se l'arco di potenza dura abbastanza a lungo per causare il burnout del conduttore o se si verifica un flashover multifase.

Altri effetti indiretti

Oltre a errori di flashover, i fulmini possono causare:

• Degrado dell'isolamento indotto dall'unghia: Anche se non si verifica un flashover immediato, i ripetuti interventi possono indebolire l'isolamento nel tempo, portando a un guasto prematuro.
• Interferenze elettromagnetiche (EMI):[ I transienti veloci possono accoppiarsi ai cavi di controllo e causare la cattiva gestione dei relè di protezione, un fenomeno noto come "nuisance tripping".
• Danni di trasmettitore:[] I sostegni che entrano nelle sottostazioni tramite linee di trasmissione possono causare la rottura dell'isolamento nei trasformatori, in particolare nelle unità con capacità di resistenza ad alta frequenza relativamente debole.

Rilevamento e modellazione di guasti indotti da fulmini

I sistemi di accensione fulmine (LLS), come la rete nazionale di rilevamento dei fulmini (NLDN) o la LINET europea, forniscono dati in tempo reale sulla posizione dei colpi, la corrente di picco, la polarità e la molteplicità.

Gli ingegneri utilizzano anche il software di simulazione transient elettromagnetico (ad esempio EMTP, ATP) per modellare la propagazione di sbalzi fulmini lungo linee di trasmissione. Queste simulazioni incorporano la geometria della torre, i valori di resistenza del piede, le caratteristiche di flashover dell'isolatore (curve di volt-time), e il comportamento non lineare degli arresti di sovratensione.

Scudo fallimento vs. Backflashover

Due meccanismi distinti producono lampi fulmini:

• Insufficienza di schermatura:[] Il fulmine bypassa il filo di schermatura e colpisce direttamente un conduttore di fase. Ciò avviene quando l'angolo di schermatura (l'angolo tra il filo di scudo e il conduttore di fase esterno) è troppo grande, spesso più di 20-30 gradi.
• Backflashover:[] Il fulmine colpisce un filo di schermatura o un piano di torre. La corrente scorre attraverso la torre a terra, aumentando il potenziale della torre rispetto ai conduttori di fase. Se la caduta di tensione attraverso la resistenza di piedi della torre supera il livello di isolamento, un flashover si verifica dalla torre al conduttore di fase.

Le strategie di mitigazione differiscono per ciascuna: migliorare lo scudo (assieme di protezione o angolo di riduzione) per gli attacchi di schermatura, e ridurre l'impedenza di footing (utilizzando contropoise, aste di terra, o trattamento chimico) per i backflashover.

Strategie di mitigazione nella pratica

Una protezione efficace del fulmine riduce sia la frequenza dei guasti che la gravità delle loro conseguenze. Nessuna soluzione singola funziona universalmente; una combinazione di tecniche su misura per le condizioni locali dà i migliori risultati.

Protezione contro gli argini e i sughi

Gli interruttori di sovratensioni della linea di trasmissione (chiamati anche "arrestori di linea") sono installati in parallelo con le corde isolanti. Hanno una caratteristica corrente non lineare che diverte la corrente di sovratensione dall'isolamento, limitando la sovratensione ad un valore sicuro.

Progettazione di sistemi di messa a terra

Per nuove linee, i progettisti mirano a resistere ai piedi sotto i 10-15 ohms, dove economicamente fattibile. Ciò può essere raggiunto con barre di terra profonde, fili di contropoise sepolti (conduttori orizzontali che scappano dalla base della torre), o sistemi di griglia. In terreno difficile, trattamento chimico (ad esempio, la misurazione della corrosione del terreno bentonite o del calcestruzzo conduttivo) può ridurre la resistenza al suolo.

Coordinamento dell'isolamento

La scelta dei livelli di isolamento che corrispondono all'ambiente di sovratensione previsto è un atto di bilanciamento: maggiore BIL significa meno flashover ma maggiori costi e dimensioni della torre potenzialmente più grandi per la clearance. Il coordinamento dell'isolamento comporta la selezione delle lunghezze delle corde isolanti, spaziando tra le fasi e le lacune dell'aria per resistere alle più probabili sovratensioni del fulmine.

Ritaglio e Riduzione protettiva

I relè ad alta velocità rilevano il cambiamento di sovracorrente o di impedenza da un guasto del fulmine e superano la linea. Il tripping a un solo polo (apertura solo della fase difettosa) è vantaggioso perché permette il trasferimento di potenza continua sulle fasi sane e riduce l'instabilità del sistema.

Manutenzione e ispezione regolari

Sebbene non sia un deterrente fulmine diretto, la manutenzione rigorosa garantisce che le apparecchiature di protezione siano funzionali. Le ispezioni visive (basate su terra o su drone) possono identificare capannoni isolanti rotti, hardware corroso e fili di scudo danneggiati. La termografia infrarossa può rilevare corrente di perdita di arresti. La manutenzione è particolarmente importante in aree con fulmini frequenti perché danni cumulativi possono ridurre l'efficacia dei sistemi di messa a terra o dell'isolamento.

Impatto statistico e considerazioni economiche

I costi economici dei guasti causati dai fulmini si estendono oltre le spese di riparazione diretta. I detrazioni possono provocare perdite di produzione nelle fabbriche, danneggiano le apparecchiature sensibili e in alcuni casi pongono rischi di sicurezza pubblica. I dati dell'Istituto di Ricerca di Potere Elettrico indicano che i danni legati al sistema di trasmissione dei fulmini negli Stati Uniti, solo le società di utilità di costo e i loro clienti centinaia di milioni di dollari all'anno.

Si pronunciano variazioni geografiche e stagionali. Il corridoio "Lightning Alley" nella Florida centrale, parti della costa del Golfo, e la regione dei Grandi Laghi sperimentano le densità più alte del flash (6-10 lampi per km2 all'anno).

Tendenze future nella protezione dei fulmini

La crescente penetrazione delle fonti rinnovabili, in particolare di grandi impianti solari collegati tramite linee di trasmissione lunghe, presenta nuove sfide. Gli array solari sono spesso situati in terreni aperti e pianeggianti con elevata esposizione, e i loro inverter sono suscettibili di sovratensioni indotte dai fulmini. Analogamente, le aziende a vento offshore richiedono cavi sottomarini vulnerabili agli scioperi diretti fulmini (anche se meno frequenti) e indotti.

Le tecnologie di rete intelligenti come il monitoraggio e l'auto-guarigione in tempo reale possono ridurre l'impatto dei difetti del fulmine. Ad esempio, i sistemi di protezione in aree larghe possono isolare rapidamente una linea difettosa e un potere di ritorsione.

Un'area di ricerca promettente è l'uso di fulmini "intelligenti" che monitorano la propria corrente di dispersione e l'assorbimento di energia, trasmettendo i dati ad un sistema centrale. Ciò consente la manutenzione predittiva: sostituire gli arresti prima che falliscano.

Migliori Pratiche per Ingegneri di Utilità

Sulla base di decenni di esperienza operativa e di ricerca sul campo, le seguenti raccomandazioni emergono per ridurre i difetti causati dai fulmini sulle linee di trasmissione:

• Condurre una valutazione del rischio fulmine utilizzando i dati LLS per ogni segmento di linea, contabilizzando i livelli isokeraunici, la resistenza al suolo e la geometria della torre.
• Filo di protezione di progettazione con un angolo di schermatura massimo di 15-20 gradi per nuove linee; retrofit linee più vecchie dove economico.
• Mirare alla resistenza del piede della torre inferiore a 15 ohm; implementare un programma per misurare e migliorare la messa a terra su torri esistenti con alta resistenza.
• Installare gli arresti di linea su almeno le prime due fasi su torri con la massima resistenza di atterraggio, o dove i tassi di backflashover sono inaccettabili.
• Utilizzare tripping monopolare e auto-rivestimento con un tempo morto che corrisponde alle caratteristiche di deionizzazione (tipicamente 0,5-1 secondo per gli archi fulmini).
• Testare regolarmente e mantenere relè di protezione, in particolare la loro immunità transitoria, per evitare che il fastidio tripping da sovratensioni indotte.
• Sviluppare un protocollo di analisi post-storm che correla i dati della posizione dei fulmini con i record di guasto per identificare i punti deboli e verificare l'efficacia della mitigazione.

Conclusioni

Gli scioperi fulmini rimangono una delle sfide più formidabili per l'affidabilità delle linee di trasmissione di potenza. L'interazione è complessa: un singolo flash può causare un breve difetto transitorio che sgombera automaticamente o infligge danni permanenti che mettono a repentaglio una linea di servizio per ore. La chiave per ridurre al minimo le interruzioni emergenti è la comprensione dell'ambiente fulmine locale, l'applicazione di soluzioni ingegneristiche appropriate - dal progressivo alle regioni di aumento del clima di sovratensione suggeriscono le tendenze e le tendenze moderne di monitoraggio e gli strumenti di monitoraggio e di monitoraggio.