Blitzschutz von Freileitungen

Eine Freileitung ist das längste Element des elektrischen Systems. Es ist auch das häufigste Element des Systems und wird am häufigsten von Blitzen getroffen. Statistiken zu Stromunfällen zeigen, dass 75–80 % der Notausfälle von Freileitungen auf Blitzausfälle zurückzuführen sind.

Physik der Blitzentladung

Blitz – eine Art Gasentladung mit einer sehr langen Funkenlänge. Die Gesamtlänge des Blitzkanals beträgt mehrere Kilometer und ein erheblicher Teil dieses Kanals befindet sich innerhalb der Gewitterwolke.

Damit ein Gewitter entstehen kann, sind erstens starke Aufwinde und zweitens die nötige Luftfeuchtigkeit im Gewittergebiet erforderlich.

Aufwinde entstehen durch die Erwärmung der an die Erdoberfläche angrenzenden Luftschichten und den thermisch bedingten Wärmeaustausch dieser Schichten mit kühlerer Luft in großen Höhen.

In der Wolke bilden sich mehrere voneinander isolierte Ladungsansammlungen (im unteren Teil der Wolke sammeln sich Ladungen negativer Polarität), Blitze sind meist mehrfach, d.h. besteht aus mehreren Einzelentladungen, die sich entlang derselben Bahn entwickeln.

Der genaue Mechanismus der Ladungstrennung in einer Gewitterwolke ist noch weitgehend unklar. Beobachtungen zeigen jedoch, dass die Ladungstrennung mit dem Gefrieren von Wassertröpfchen in einer Wolke zusammenfällt.

Die zulässige Anzahl von Unterbrechungen von Freileitungen infolge eines Blitzschlags

Die Machbarkeitsstudie zeigt, dass es unmöglich ist, Freileitungen absolut blitzsicher zu machen... Wir müssen bewusst davon ausgehen, dass Freileitungen nur in begrenztem Umfang im Jahr abgeschaltet werden. Die Aufgabe des Blitzschutzes von Stromleitungen besteht darin, die Anzahl der Blitzunterbrechungen zu minimieren.

Die zulässige Anzahl der Unterbrechungen von Freileitungen pro Jahr und zusätzlicher Abschaltungen wird durch die folgenden Bedingungen bestimmt:

a) zuverlässige Stromversorgung der Verbraucher,

b) zuverlässiger Betrieb von Schaltern, die zu Freileitungen führen, und wird nach der Formel berechnet:

wobei nadditional – die Anzahl der zulässigen Unterbrechungen der Stromversorgung auf der Leitung pro Jahr (nadd ≤ 0,1 bei fehlender Redundanz und nadd ≤ 1, wenn Redundanz verfügbar ist), β – APV-Erfolgsrate gleich 0,8–0,9 für Leitungen mit 110 kV und höher auf Metall- und Stahlbetonstützen.

Eine automatische Wiedereinschaltung (AR) kann die Leitung in Betrieb halten, da Fälle von Isolationsversagen von Lichtbogenstützen recht selten sind. In diesem Fall geht der Blitzeinschlag nicht mit einem Stromausfall einher.Bei Ausfall der automatischen Wiedereinschaltung kommt es zu einer vollständigen Abschaltung der Stromleitung.

Es ist zu beachten, dass der häufige Einsatz der automatischen Wiedereinschaltung den Betrieb von Leistungsschaltern erschwert, die in diesem Fall eine außerordentliche Revision erfordern. Auf dieser Grundlage ist je nach Art der Schalter eine zusätzliche Abschaltung = 1 – 4 zulässig. Bei kritischen Strecken sollte diese Fahrtanzahl reduziert werden.

Geschätzte Anzahl von Blitzeinschlägen auf Freileitungen

Die zu erwartende Anzahl von Blitzausfällen auf der Strecke wird maßgeblich durch die Intensität der Blitzaktivität im Bereich der Streckentrasse bestimmt. Basierend auf den Durchschnittswerten wird allgemein angenommen, dass in einer Gewitterstunde 0,067 Blitzeinschläge in 1 km Entfernung von der Erdoberfläche auftreten... Vorausgesetzt, die Linie sammelt alle Einschläge aus einem Streifen mit einer Breite von 6h (h ist die durchschnittliche Höhe von a Seilaufhängung oder Kabel) beträgt die Anzahl N Blitzeinschläge auf einer Leitung der Länge l pro Jahr

N = 0,067 × n × 6h × l × 10-3 ,

Dabei ist n die Anzahl der Gewitterstunden pro Jahr.

Die Anzahl der Überlappungen bei der Isolierung von Freileitungen wird durch die Formel bestimmt

ntape = n NS Pcloth,

wobei Pln die Wahrscheinlichkeit einer Überlappung der Leitungsisolierung bei einem bestimmten Blitzstrom ist.

Nicht jede Überlappung der Impulstrennung geht mit einer Netzabschaltung einher, da die Auslösung den Durchgang eines Impulslichtbogens zum Versorgungslichtbogen erfordert. Die Übergangswahrscheinlichkeit hängt von vielen Faktoren ab und wird in technischen Berechnungen üblicherweise anhand des Gradienten der Betriebsspannung entlang des Überlappungspfads EСр = Urob / Lband, kV / m bestimmt.

Bei Leitungen auf Holzträgern mit langen Luftspalten wird die Wahrscheinlichkeit des Wechsels in einen Impulslichtbogen h durch die Formel bestimmt

Für Leitungen auf Metall- und Stahlbetonstützen gilt h = 0,7 für Netzspannungen bis 220 kV und h = 1,0 für Nennspannungen ab 330 kV.

Durch Multiplizieren der nlent mit einem Faktor η lässt sich die erwartete Anzahl an Blitzeinschlägen pro Jahr auf der Leitung berechnen

In der Ingenieurspraxis wird üblicherweise die spezifische Anzahl der Leitungsunterbrechungen nAnzahl der Leitungsunterbrechungen pro 100 km Leitung, die durch ein Gebiet mit 30 Stunden Gewitter pro Jahr verläuft, verwendet:

Um die Anzahl der Blitzeinschläge auf der Leitung zu reduzieren, können Sie:

• Verringerung der Wahrscheinlichkeit einer Überlappung der Isolierung bei Blitzeinschlägen, was normalerweise bei Freileitungen mit Metallstützen durch das Aufhängen von Blitzableitern am Fahrdraht und durch einen niedrigen Impulserdungswiderstand von Stützen und Kabeln erreicht wird,

• Verlängern Sie den Überlappungsweg mit einem niedrigen Betriebsspannungsgradienten, was den Koeffizienten h des Übergangs vom Impulslichtbogen zum Leistungslichtbogen verringert. Letzteres erfolgt an Freileitungen mit Holzstützen.

Auswirkung der Blitzschutzleistung

Freileitungen auf Metallstützen (Stahlbeton) ohne Erdungskabel.

Wenn der Draht an der Auftreffstelle getroffen wird, wird ein Widerstand eingeschaltet, der der Hälfte der charakteristischen Impedanz des Z-Drahts entspricht.