Analiza wpływu ulotu elektrycznego

Abstract

Wyładowania piorunowe powodują w liniach napowietrznych wzbudzenie fal przepięciowych. Fala biegnąc w przewodach podlega rozproszeniu w wyniku zachodzenia zjawisk tłumiących, które można podzielić na: oporowe, izolatorowe i ulotowe. W pracy analizowano stopień i intensywność wpływu ulotu na propagację fal przepięciowych, co może być podstawą do rozważań nad celowością uwzględnienia tego zjawiska podczas doboru i koordynacji układów izolacyjnych.

Wyładowanie ulotowe stanowi jedną z form samodzielnych wyładowań niezupełnych, pojawiającą się po lokalnym przekroczeniu wartości natężenia pola elektrycznego, równej wytrzymałości elektrycznej powietrza. Podczas stanu normalnej pracy sieci energetycznej ulot jest zjawiskiem szkodliwym i niepożądanym, ponieważ powoduje straty mocy czynnej, korozję przewodów oraz jest źródłem zakłóceń radioelektrycznych i hałasu. Jednak w chwili uderzenia pioruna w przewód fazowy ujawnia się korzystny skutek istnienia zjawiska ulotu, czyli tłumienie biegnącej fali.

Z uwagi na to, że linie elektroenergetyczne projektowane są tak, aby nie występował na nich ulot elektryczny wartość napięcia początkowego ulotu ma znaczną wartość. Dlatego też ulot elektryczny ma wpływ jedynie na przepięcia o znacznej amplitudzie. W artykule przeprowadzono analizę wpływu ulotu elektrycznego na propagację fal przepięciowych wywołanych bezpośrednimi uderzeniami pioruna w przewód fazowy, gdyż to one wywołują największe przepięcia w liniach elektroenergetycznych.
Autorzy: Rafał TARKO, Tomasz PYCIA, Mirosław RYSZKA

1. SPOSóB IMPLEMENTACJI ULOTU DO MODELU LINI DŁUGIEJ

Z uwagi, że przepięcia piorunowe mają charakter szybkozmienny linie elektroenergetyczne przy takich przepięciach należy traktować jako linie długie. Wielkością charakterystyczną podczas analizy układu, w którym zachodzi ulot jest napięcie początkowe ulotu. Dla układów przewodów zawieszonych nad ziemią może ona być wyznaczona na podstawie doświadczalnej zależności Peek’a. Jeżeli napięcie przekroczy tę wartość, wokół przewodu tworzy się ładunek przestrzenny, który powoduje pozorne zwiększenie przekroju przewodu, a co za tym idzie, również zmianę pojemności układu. Zmiana pojemności ma znaczący wpływ na kształt fali przepięciowej, łagodząc jej czoło. Wynika to ze zmiany prędkości fali:


Aby zamodelować to zjawisko wyznacza się charakterystyki zależności wypadkowego ładunku przestrzennego od wartości chwilowej napięcia. Przykładowy kształt charakterystyk przedstawiono na rys. 1. [2]



Charakterystyki te są makroskopowym opisem ulotu elektrycznego i mogą stanowić podstawę jego analizy w modelu linii przez wykorzystanie pojemności dynamicznej:


Na wykresie wyodrębnia się kilka charakterystycznych odcinków krzywej. Pierwsza część charakterystyki jest wyraźnie liniowa, opisuje ona stan układu przed pojawieniem się ulotu. Prosta ta przedstawia pojemność geometryczną linii, czyli pojemność zależną głównie od wymiarów elektrod i ich odległości. W charakterystycznym punkcie następuje ostre zakrzywienie charakterystyki. Punkt ten odpowiada napięciu początkowemu ulotu. Po jego przekroczeniu widać nagły wzrost ładunku. Spowodowane jest to pojawieniem się ładunku przestrzennego, który powoduje wzrost pojemności dynamicznej. W chwili pojawienia się ulotu przestrzeń wokół przewodu jest silne zjonizowana. Przy obniżającym się napięciu charakterystyka zatacza pętle, co jest wynikiem opóźnienia formowania się ładunku przestrzennego względem zmiany napięcia. Jeżeli punkt pracy nie przekroczy napięcia początkowego ulotu, podczas zmniejszania napięcia punkt pracy porusza się po tej samej prostej.

Modelowanie ulotu elektrycznego z wykorzystaniem pojemności dynamicznej wymaga modyfikacji macierzy pojemności linii, w której wyodrębniona jest macierz pojemności geometrycznych oraz macierz pojemności o elementach zależnych od napięcia:


Ulotowe straty energii, w układzie modelowym linii długiej, mogą być osiągnięte poprzez wprowadzenie nieliniowej konduktancji doziemnej Gd zależnej od kwadratu napięcia, co przekształca układ w model nieliniowy.

Aby wyeliminować powyższe niedogodności obliczeniowe, można model linii sprowadzić do postaci różnicowej dla części nieliniowej, w którym rozłożone parametry ulotu elektrycznego reprezentowane są w wybranych węzłach części liniowej modelu w postaci obwodu o stałych skupionych [2]. W wyniku tego uzyskujemy model linii jak na rysunku 2.



Gałęzie poprzeczne reprezentujące ulot są modelowane za pomocą układu przedstawionego na rys.4, gdzie wartość pojemności C oraz konduktancji G jest wyznaczona z zależności (4) i (5). [8]





gdzie:
Uco – napięcie początkowe ulotu
U – napięcie podczas wyładowań koronowych
kC,, kR – stałe ulotu