Protección contra rayos de líneas eléctricas aéreas

Una línea eléctrica aérea es el elemento más largo del sistema eléctrico. También es el elemento más común del sistema y más a menudo golpeado por un rayo. Las estadísticas de accidentes del sistema eléctrico muestran que el 75-80% de los cortes de emergencia de líneas eléctricas aéreas están relacionados con cortes de rayos.

Física de la descarga de rayos

Relámpago: un tipo de descarga de gas con una longitud de chispa muy larga. La longitud total del canal de rayos alcanza varios kilómetros, y una parte importante de este canal se encuentra dentro de la nube de tormenta.

Para que se produzca una tormenta, en primer lugar, fuertes corrientes ascendentes y, en segundo lugar, la humedad del aire necesaria en la zona de tormentas.

Las corrientes ascendentes ocurren debido al calentamiento de las capas de aire adyacentes a la superficie de la tierra y al intercambio de calor inducido térmicamente de estas capas con aire más frío a grandes altitudes.

En la nube se forman varias acumulaciones de cargas, aisladas unas de otras (en la parte inferior de la nube se acumulan cargas de polaridad negativa), los rayos suelen ser múltiples, es decir consiste en varias descargas individuales que se desarrollan a lo largo del mismo camino.

El mecanismo exacto de separación de carga en una nube tormentosa aún no está claro. Sin embargo, las observaciones muestran que la separación de carga coincide con la congelación de las gotas de agua en una nube.

El número permitido de interrupciones de las líneas eléctricas aéreas como resultado de un rayo

El estudio de viabilidad muestra que es imposible hacer que las líneas eléctricas aéreas sean absolutamente a prueba de rayos... Debemos suponer deliberadamente que las líneas eléctricas aéreas se apagarán un número limitado de veces al año. La tarea de la protección contra rayos de las líneas eléctricas es minimizar el número de interrupciones por rayos.

El número permitido de suspensión de líneas eléctricas aéreas por año y apagado adicional está determinado por las condiciones:

a) suministro de energía confiable a los consumidores,

b) operación confiable de interruptores que viajan a líneas eléctricas aéreas y se calcula mediante la fórmula:

donde naddional — el número de interrupciones permitidas en el suministro de energía en la línea por año nadd ≤ 0,1 en ausencia de redundancia y nadd ≤ 1 si hay redundancia disponible), β — Tasa de éxito de APV igual a 0,8-0,9 para líneas de 110 kV y superior sobre soportes metálicos y de hormigón armado.

El reconectador automático (AR) puede mantener la línea en funcionamiento, ya que los casos de falla del aislamiento de los soportes de arco son bastante raros. En este caso, la caída del rayo no irá acompañada de un corte de energía.En caso de falla de la reconexión automática, se producirá un apagado completo de la línea eléctrica.

Cabe señalar que el uso frecuente del reenganche automático complica la operación de los interruptores automáticos, que en este caso requieren una revisión extraordinaria. En base a esto, se permite tener un apagado adicional = 1 — 4 según el tipo de interruptores. Para líneas críticas, se debería reducir este número de viajes.

Número estimado de caídas de rayos en líneas eléctricas aéreas

El número esperado de cortes de rayos en la línea está determinado principalmente por la intensidad de la actividad de los rayos en el área de la ruta de la línea. Con base en las cifras promedio, generalmente se acepta que 0.067 rayos ocurren a 1 km de la superficie terrestre en una hora de tormenta... Dado que la línea recoge todos los rayos de una franja de ancho 6h (h es la altura promedio de un cable de suspensión o cable), el número de N rayos en una línea de longitud l por año es

norte = 0,067 × norte × 6h × largo × 10-3,

donde n es el número de horas de tormenta por año.

El número de superposiciones en el aislamiento de las líneas eléctricas aéreas está determinado por la fórmula

ntape = n NS Ptela,

donde Pln — la probabilidad de superposición del aislamiento de la línea a una corriente de rayo dada.

No toda superposición de aislamiento de impulsos va acompañada de un corte de línea, ya que el disparo requiere el paso de un arco de impulso al arco de alimentación. La probabilidad de transición depende de muchos factores, y en los cálculos de ingeniería se acostumbra determinarla por el gradiente del voltaje de operación a lo largo del camino de superposición EСр = Urob / Lband, kV / m.

Para líneas sobre soportes de madera con espacios de aire largos, la probabilidad de cambiar a un arco pulsado h está determinada por la fórmula

Para líneas sobre soportes metálicos y de hormigón armado, h = 0,7 para tensión de línea hasta 220 kV y h = 1,0 para tensión nominal 330 kV y más.

Multiplicando el nlent por un factor η, es posible calcular el número esperado de rayos en la línea por año

En la práctica de la ingeniería, se suele utilizar el número específico de roturas de línea nNúmero de roturas por cada 100 km de línea que pasa por una zona con 30 horas de tormentas al año:

Para reducir el número de rayos en la línea, puede:

• reducir la probabilidad de superposición de aislamiento durante la caída de un rayo, lo que generalmente se logra en líneas eléctricas aéreas con soportes metálicos suspendiendo los pararrayos del cable de contacto y proporcionando una resistencia de puesta a tierra de bajo impulso de los soportes y cables,

• extender la ruta de superposición con un gradiente de voltaje de operación bajo, lo que reduce el coeficiente h del arco de impulso a la transición del arco de potencia. Este último se realiza sobre líneas eléctricas aéreas con soportes de madera.

Efecto del rendimiento de la protección contra rayos.

Líneas eléctricas aéreas sobre soportes metálicos (hormigón armado) sin toma de tierra.

Cuando se golpea el cable en el punto de impacto, se activa una resistencia igual a la mitad de la impedancia característica del cable Z.