Влияние молниеносных ударов на возникновение разломов в линиях передачи энергии

Влияние молниеносных ударов на возникновение разломов в линиях передачи энергии

Удары молнии представляют собой одно из самых непредсказуемых и мощных природных явлений, влияющих на электрические энергетические системы. Каждый год сотни тысяч вспышек молнии попадают на линии электропередач и окружающую их местность, вводя массивные токи всплеска, которые могут нарушить нормальную работу. Связь между активностью молнии и неисправностями энергосистемы имеет решающее значение для понимания для проектирования надежных, устойчивых сетей. В этой статье исследуется физика, стоящая за неисправностями, вызванными молнией, типы возникающих неисправностей, современные стратегии защиты и более широкие последствия для надежности коммунальных услуг.

Линии электропередачи, из-за их открытой, повышенной геометрии и их обширного географического охвата, являются естественными привлекательными целями для молний. Во многих регионах, вызванные молнией перебои составляют значительную часть всех прерываний линии передачи. Согласно исследованиям ERPRI, молния ответственна за 30-70 % разломов линий в районах с высоким изокерауновским уровнем (количество грозовых дней в году). Понимание механизмов, которые преобразуют вспышку молнии в разлом линии, является первым шагом к экономически эффективному смягчению.

Физика взаимодействия молнии с линиями передачи

Молния развивается как массивный электростатический разряд между заряженными областями в грозовом облаке и земле или между облаками. Когда нисходящий ступенчатый лидер приближается к окрестностям линии передачи, интенсивное электрическое поле (часто превышающее несколько миллионов вольт на метр) может вызвать восходящие соединительные лидеры из фазовых проводников, щитовых проводов или вершин башни. Прямой удар в фазовый проводник впрыскивает импульс тока, который может достигать пика в более чем 200 килоамперах и подниматься до этого пика менее чем за 10 микросекунд. Этот быстро растущий ток создает экстремальные электромагнитные силы и омическое нагревание.

Однако не все молниеносные инциденты связаны с прямым попаданием. Удар по щитовой проволоке или верху башни все еще впрыскивает энергию всплеска, которая проходит как в землю через сопротивление опоры башни, так и вдоль щитовых проводов. Этот всплеск может вызывать высокие напряжения на фазовых проводниках посредством электромагнитной связи. Даже удар по земле вблизи линии может вызывать индуцированные перенапряжения - известные как всплески, вызванные молнией - которые могут превышать прочность изоляции линии, особенно на распределении низкого напряжения, но также и на цепях передачи со слабой изоляцией.

Тяжесть возникшего дефекта зависит от нескольких факторов:

• Амплитуда и крутизна тока молнии: Более высокие пиковые токи и более быстрое время подъема вызывают большие перенапряжения и механические напряжения.
• Наземное сопротивление: Сопротивление опоры башни резко влияет на отраженные волны и нарастание напряжения на изоляторах.
• Уровень изоляции: Базовый уровень изоляции (BIL) определяет порог напряжения, при котором происходит вспышка.
• Близость к подстанциям или слабые места: Высоты могут быть усилены в точках разрыва, таких как прерывание кабеля или компенсация серий.

Типы молниеносных ошибок

Неисправности, вызванные молнией, можно разделить на две широкие категории: постоянные и временные. Коммунальные службы должны различать их, чтобы принять решение о соответствующих стратегиях защиты и восстановления.

Постоянные ошибки

Постоянные неисправности являются результатом физического повреждения, которое не может быть очищено путем простого обесточивания линии, а затем попытки отложить. Примеры включают в себя разрушенные изоляционные струны, сломанные проводники, поврежденное оборудование или сжигание деревянных перекрестков или столбов (в распределении). Когда энергия молнии чрезвычайно высока или когда следующий ток от энергетической системы поддерживает силовую дугу, тепло и механическое напряжение могут испарять или плавить проводники, особенно алюминиевые провода из стальной армированной стали (ACSR). Постоянный неисправность обычно требует, чтобы экипаж нашёл поврежденный компонент и выполнил ремонт, что приводит к расширенным отключениям.

временные (переходные) ошибки

Переходные неисправности встречаются гораздо чаще. Напряжение, вызванное молнией, вызывает перенапряжение по изоляторной струне, создавая проводящий путь для силового частотного следования току. Эту дугу могут погасить современные выключатели в 2-5 циклах (30-80 мс), особенно если линия оснащена высокоскоростными реле для выключения. После короткого интервала выключения энергии (обычно 0,5-5 секунд) выключатель пытается повторно активировать линию. Если дуговая траектория достаточно деионизирована и не произошло постоянного повреждения, линия остается в эксплуатации. Переходные неисправности, вызванные молнией, составляют подавляющее большинство связанных с молнией отключений, а успешные скорости выключения 75-90% являются общими для хорошо спроектированных систем передачи.

Некоторые флешверы могут эволюционировать в постоянный сбой, если силовая дуга длится достаточно долго, чтобы вызвать выгорание проводника или если происходит многофазное флешверирование.Двухфазные или трехфазные флешверы особенно проблематичны, поскольку они снижают способность схем однополюсного вытеснения устранять сбой и могут привести к большему нарушению системы.

Другие косвенные эффекты

Помимо ошибок при флешверах, молния может вызвать:

• Спровоцированная резким скачком деградация изоляции: Даже если не происходит немедленного оповещения, повторяющиеся скачки могут ослабить изоляцию с течением времени, что приводит к преждевременному отказу.
• Электромагнитные помехи (EMI): Быстрые переходные процессы могут соединяться в управляющие кабели и вызывать неправильное функционирование реле защиты, явление, известное как «отключение неприятностей».
• Повреждения трансформатора: Повышенные нагрузки при входе на подстанции по линиям электропередачи могут привести к поломке изоляции трансформаторов, особенно в агрегатах с относительно слабой высокочастотной выдержкой.

Обнаружение и моделирование врожденных молниеносных ошибок

Современные энергетические утилиты полагаются на несколько инструментов для понимания и прогнозирования молниеносных разломов. Системы определения местоположения молнии (LLS), такие как Национальная сеть обнаружения молнии США (NLDN) или европейская LINET, предоставляют данные в реальном времени о местоположении удара, пиковом токе, полярности и множестве. Сопоставляя данные LLS с записями ошибок из защитных реле, утилиты могут выполнять анализ разломов, вызванных молнией, для выявления уязвимых участков линии.

Инженеры также используют программное обеспечение для электромагнитного временного моделирования (например, EMTP, ATP) для моделирования распространения молниеносных всплесков вдоль линий передачи. Эти моделирования включают геометрию башни, значения сопротивления ногам, характеристики изолятора (кривые волат-времени) и нелинейное поведение спешных захватчиков. Результаты помогают определить критический ток молнии, необходимый для вызова вспышки - известный как ток экранирования отказа или ток обратного фонаря - для каждой башни.

Обратный флэшовер против Shielding Failure

Два различных механизма производят вспышки молнии:

• Сбой сцепления: Молния обходит провод щита и ударяет фазовый проводник напрямую. Это происходит, когда угол экранирования (угол между щитовым проводом и внешним фазовым проводником) слишком велик, часто более 20-30 градусов.Сбои щита обычно происходят на линиях с недостаточной конструкцией экранирования.
• НазадФлэшвер:] Молния ударяет по щитовой проволоке или верху башни.Ток течет через башню к земле, поднимая потенциал башни относительно фазовых проводников. Если падение напряжения по сопротивлению опоры башни превышает уровень сопротивления изоляции, то от башни к фазовому проводнику происходит опрокидывание.Бэкфлашовер является доминирующим механизмом в областях с высоким сопротивлением опоры башни (например, скалистая местность).

Стратегии смягчения различаются для каждого: улучшение экранирования (добавление щитовых проводов или уменьшение угла) для экранирования отказов и снижение импеданса ног (с использованием противовеса, наземных стержней или химической обработки) для задних фонарей.

Стратегии смягчения на практике

Эффективная молниезащита снижает как частоту неисправностей, так и тяжесть их последствий.Ни одно решение не работает универсально; сочетание методов, адаптированных к местным условиям, дает наилучшие результаты.

Арестовщики молний и защитители от молний

Линейные рейдеры скачков передачи (также называемые линейными рейдерами) устанавливаются параллельно с струнами изолятора. Они имеют нелинейную характеристику тока напряжения, которая отводит ток скачка от изоляции, ограничивая перенапряжение до безопасного значения. Установка арестеров на каждой фазе каждой башни является дорогостоящей, поэтому коммунальные службы обычно размещают их на наиболее уязвимых фазах (обычно верхняя фаза в горизонтальной конфигурации) или на башнях с высоким сопротивлением ног. Современные полимерные арендаторы с вариатором оксида металла (MOV) предлагают высокую способность поглощения энергии и длительный срок службы. Для особенно критических линий, таких как те, которые питают большие промышленные нагрузки или межсоединения, полное покрытие может быть оправдано.

Проектирование системы заземления

Уменьшение сопротивления подножия башни является одним из наиболее эффективных способов предотвращения обратного удара. Для новых линий проектировщики стремятся к сопротивлению подножия ниже 10-15 Ом, где это экономически целесообразно. Это может быть достигнуто с помощью глубоководных наземных стержней, зарытых противопоставленных проводов (горизонтальные проводники, убегающие от основания башни) или систем сетки. В трудной почве химическая обработка (например, бентонит или проводящий бетон) может снизить сопротивление. Регулярное измерение сопротивления заземления имеет важное значение, поскольку коррозия или сушка почвы могут ухудшить производительность с течением времени.

Координация изоляции

Выбор уровней изоляции, которые соответствуют ожидаемой среде наращивания, является балансирующим актом: более высокий BIL означает меньшее количество флешеров, но увеличенные затраты и потенциально большие размеры башни для клиренса. Координация изоляции включает в себя выбор длины струн изолятора, интервала между фазами и воздушных зазоров, чтобы выдержать наиболее вероятные всплески молнии. Стандарты, такие как IEEE Std 1410 и IEC 60071-2, обеспечивают руководство. Использование недостроенных щитовых проводов (наземных проводов) и оптических наземных проводов (OPGW) также способствует лучшей производительности молнии.

Защитная ретрансляция и закрытие

Высокоскоростные реле обнаруживают изменение сверхтока или импеданса от разлома молнии и сдвига линии. Однополюсное спотыкание (открытие только неисправной фазы) выгодно тем, что позволяет продолжить передачу мощности на здоровых фазах и снижает нестабильность системы. Удаление стратегий - автоматическая, замедленная или синхронистическая проверка - повышает надежность. Коммунальные службы также могут использовать схемы "поездки и блокировки", где попытки сбросить после определенного количества сбоев (например, трех) подавляются, чтобы избежать усугубления постоянного повреждения.

Регулярное техническое обслуживание и инспекция

Хотя это и не является прямым сдерживающим фактором, строгое техническое обслуживание гарантирует, что защитное оборудование является функциональным. Визуальные осмотры (наземные или беспилотные) могут идентифицировать сломанные изоляционные сараи, корродированное оборудование и поврежденные провода щита. Инфракрасная термография может обнаружить ток утечки арестера. Техническое обслуживание особенно важно в районах с частыми молниями, поскольку кумулятивное повреждение может снизить эффективность систем заземления или изоляции.

Статистическое воздействие и экономические соображения

Экономическая стоимость молниеносных разломов выходит за рамки прямых затрат на ремонт. Отключения могут спровоцировать производственные потери на заводах, повредить чувствительное оборудование и в некоторых случаях представлять риски для общественной безопасности. Данные Института исследований электроэнергетики указывают на то, что отключения системы передачи электроэнергии только в США обходятся коммунальным компаниям и их клиентам в сотни миллионов долларов ежегодно. Для критических нагрузок, таких как больницы и центры обработки данных, даже один кратковременный разлом может привести к значительным потерям.

Географические и сезонные колебания ярко выражены. Коридор «Лайтнинг-Аллея» в центральной Флориде, частях побережья Мексиканского залива и в районе Великих озер испытывает самую высокую плотность вспышки (6-10 вспышек на км2 в год). И наоборот, западные США и большая часть Европы имеют более низкую плотность. Коммунальные службы в районах с высокой плотностью вспышки часто вкладывают больше средств в развертывание экранирования и ареста. спутниковые данные НАСА показывают, что шаблоны молний меняются с изменением климата, что означает, что оценки риска должны периодически обновляться.

Технологии интеллектуальных сетей, такие как переходный мониторинг в реальном времени и сети самовосстановления, могут уменьшить воздействие молниеотводов. Например, схемы защиты в широких областях могут быстро изолировать неисправную линию и перенаправить мощность. Достижения в машинном обучении для прогнозирования молнии позволяют коммунальным службам предварительно размещать бригады технического обслуживания и корректировать топологию системы до ударов шторма. Кроме того, новые материалы, такие как композиционные изоляторы с гидрофобностью и высоким расстоянием скрежеции, улучшают производительность в условиях всплеска и загрязнения.