Удар молнии — одна из самых мощных и непредсказуемых сил природы. Один разряд молнии может нести ток силой до 200 000 А, а температура в канале разряда достигает 30 000 °C — это примерно в пять раз выше температуры поверхности Солнца. Когда такой разряд поражает линию электропередачи или происходит в непосредственной близости от неё, энергия распространяется вдоль проводников, и вся кабельная система, включая муфты и концевые заделки, должна выдержать этот мощнейший импульс без повреждений.
Но что на самом деле происходит внутри кабельной муфты во время удара молнии? В этой статье рассмотрим физические процессы, возможные риски и инженерные решения, которые позволяют защитить эти критически важные соединения.
Молния представляет собой мощный электростатический разряд, возникающий между облаками или между облаком и землёй. Если молния поражает воздушную линию или землю рядом с ней, возникает импульс перенапряжения — чрезвычайно высоковольтный и высокотоковый переходный процесс, который распространяется вдоль проводника со скоростью, близкой к скорости света.
Основные характеристики импульса молнии:
Этот импульс распространяется по линии электропередачи, поступая на подстанции, трансформаторы и кабельные системы. Он не «выбирает» путь и распространяется по любому доступному проводящему пути, включая токопроводящую жилу кабеля.
Импульс от молнии может попасть в кабельную систему несколькими способами.
Если молния непосредственно поражает воздушную линию, весь ток молнии распространяется по проводнику до тех пор, пока не достигнет концевой заделки или кабельной муфты, после чего может перейти в подземный кабель.
Даже если линия не подверглась прямому удару, близлежащий разряд может индуцировать в ней импульс высокого напряжения вследствие электромагнитной индукции.
Удар молнии в землю рядом с подстанцией или кабельной концевой заделкой может значительно повысить потенциал земли, создавая обратный разряд — импульс, который распространяется от земли к оборудованию.
Ограничители перенапряжений на подстанциях отводят большую часть энергии импульса в землю, однако определённая часть энергии всё же может проникнуть в кабельную систему.
После попадания импульса в кабель он распространяется к муфте — и именно здесь начинаются наиболее важные процессы.
Когда импульс молнии достигает кабельной муфты, она одновременно подвергается воздействию трёх факторов.
Импульсное напряжение может в несколько раз превышать нормальное рабочее напряжение кабеля. Например, для кабеля 66 кВ возможно возникновение импульса напряжением 350 кВ и более.
Такое экстремальное напряжение создаёт внутри муфты чрезвычайно сильное электрическое поле, значительно превышающее рабочий уровень напряжённости.
Импульсный ток нагревает токопроводящую жилу и соединитель. За доли миллисекунды температура проводника может значительно повыситься из-за огромной силы тока, хотя этот нагрев длится очень недолго.
Быстрое нарастание тока создаёт сильное электромагнитное поле, которое может индуцировать напряжения в соседних компонентах и вызывать механические электродинамические силы.
Таким образом, изоляция муфты, соединитель и система герметизации должны одновременно выдержать воздействие высокого напряжения, огромного тока и быстрого изменения электрических параметров.
Кабельные муфты более уязвимы к воздействию импульсов молнии, чем сам кабель, по нескольким причинам:
При воздействии импульса молнии первым, как правило, выходит из строя наиболее слабое место муфты.
Когда импульс попадает в муфту, электрическое поле внутри неё временно искажается. Напряжённость в области среза экрана, которая и в нормальном режиме является одной из наиболее нагруженных зон, становится ещё выше.
Напряжение может превысить напряжение возникновения частичного разряда (PDIV), после чего начинают возникать микроскопические электрические разряды — частичные разряды.
В правильно спроектированной муфте система управления электрическим полем — например, стресс-конус, материал Hi-K или нелинейный резистивный материал (NLR) — ограничивает искажение электрического поля и препятствует возникновению частичных разрядов даже при импульсных воздействиях.
Если система управления электрическим полем недостаточно эффективна или установлена неправильно, частичный разряд может быстро перерасти в поверхностный или внутренний пробой.
Если искажение электрического поля становится достаточно сильным, разряд может перерасти в перекрытие (flashover) — электрическую дугу, возникающую между токопроводящей жилой и экраном либо между фазами.
Перекрытие означает полный пробой изоляции.
При перекрытии за доли секунды выделяется огромное количество энергии. Возникающая ударная волна давления может разрушить корпус муфты, а электрическая дуга способна испарить часть проводника или соединителя. В результате муфта выходит из строя и разрушается.
Даже если перекрытия не произошло, импульсный ток нагревает токопроводящую жилу и соединитель.
Повышение температуры можно рассчитать с помощью адиабатического уравнения нагрева, предполагая, что за очень короткое время импульса тепло практически не успевает отводиться.
При небольшой продолжительности импульса, например 20 микросекунд, температура проводника может кратковременно повыситься на несколько десятков градусов Цельсия.
Нагрев соединителя может быть более существенным, поскольку его сопротивление обычно выше сопротивления самой жилы из-за особенностей материала и геометрии.
Если соединитель обжат неправильно, его сопротивление может увеличиться, что приведёт к возникновению локального перегрева. Такая горячая точка способна расплавить изоляцию или ослабить соединение.
Быстрый нагрев заставляет проводник и соединитель расширяться. Это создаёт механические напряжения в соединителе и окружающих компонентах и потенциально может привести к смещению стресс-конуса или повреждению системы герметизации.
Быстрый нагрев проводника и электрической дуги, если она возникает, создаёт внутри муфты волну давления.
Корпус муфты должен выдерживать это давление, не разрушаясь. Многие современные кабельные муфты имеют взрывостойкий корпус, например изготовленный из стекловолокнистого армированного полиэстера, способный удерживать давление, возникающее при перекрытии.
Большой импульсный ток также создаёт сильные электромагнитные силы, которые стремятся раздвинуть проводники. Это может создавать дополнительную нагрузку на соединитель и кабель.
Для защиты кабельных муфт от воздействия молнии в ключевых точках электрической сети устанавливаются ограничители перенапряжений (ОПН), также называемые молниеотводами.
Их устанавливают:
Ограничитель перенапряжений представляет собой нелинейный резистор, который при нормальном напряжении имеет высокое сопротивление, но при повышении напряжения становится проводящим и отводит импульсный ток в землю.
Ограничивая напряжение, поступающее на кабельную муфту, ОПН значительно снижает риск перекрытия и повреждения муфты.
Инженеры используют несколько основных решений, чтобы кабельные муфты могли выдерживать импульсные воздействия молнии.
Система управления электрическим полем — стресс-конус, материал Hi-K или NLR — проектируется таким образом, чтобы выдерживать импульсные напряжения без возникновения частичного разряда.
Это проверяется в ходе типовых испытаний с применением импульсных напряжений.
Изоляционные материалы — силикон, EPDM, XLPE и другие — выбираются с учётом их способности выдерживать высоковольтные импульсы.
Соединитель и корпус муфты должны выдерживать тепловые и механические нагрузки, возникающие при прохождении импульсного тока.
Надёжная герметизация предотвращает проникновение влаги, которая может снизить электрическую прочность изоляции и увеличить вероятность возникновения перекрытия.
Кабельные муфты подвергаются испытаниям на воздействие грозового импульса в рамках типовых испытаний.
На муфту подаётся импульс напряжения, имитирующий воздействие молнии — обычно импульс формы 1,2/50 мкс — с уровнем, установленным соответствующим стандартом, например IEC 60840 или IEC 62067.
Если кабельная муфта успешно проходит такое испытание, это подтверждает её способность выдерживать воздействие грозовых импульсных перенапряжений и сохранять электрическую и механическую целостность.
Таким образом, во время удара молнии кабельная муфта одновременно подвергается воздействию экстремального напряжения, импульсного тока, быстрых электромагнитных процессов, тепловых и механических нагрузок. Именно поэтому конструкция муфты, система управления электрическим полем, качество соединения, герметизация и импульсные испытания имеют решающее значение для надёжности высоковольтной кабельной системы.
