ГОСТ Р 54418.24-2013 (МЭК 61400-24:2010) Возобновляемая энергетика. Ветроэнергетика. Установки ветроэнергетические. Часть 24. Молниезащита

Приложение А
(справочное)

     
Воздействие молнии на ветроэнергетическую установку

А.1 Молниевая обстановка для ВЭУ

А.1.1 Общие положения

Цель настоящего приложения заключается в представлении наиболее значимой информации по молниевой обстановке, которая требуется для понимания молниевого явления и процессов, связанных со взаимодействием молнии с ВЭУ.

А.1.2 Параметры молнии

Молнию можно расценивать как источник тока. Четыре параметра тока молнии, представляющие интерес для проектирования и определения размера молниезащиты, - это пиковый ток молнии (), скорость нарастания импульсов тока удара молнии (), передаваемый разряд () и удельная энергия ().

Максимально замеренное значение тока молнии, производимое отдельным ударом, лежит в диапазоне от 2 кА до 300 кА. Максимально замеренные значения переноса заряда и удельной энергии составляют несколько сотен Кулон (Кл) и, в крайне редких случаях, до 20 МДж/Ом соответственно. Эти параметры тока молнии влияют на величину физического ущерба, причиняемого лопастям ВЭУ и/или аппаратуре системы молниезащиты. Токи удара молний дают высокие нагрузки, которые иногда разрушают конструкцию лопастей из композита. Они также влияют на уровни косвенных воздействий на электрические и электронные системы. Перенос заряда приводит к плавлению в местах приложения молнии, например, в приемниках и других местах, где токи молнии должны пройти через зазоры на пути тока. Влияния четырех параметров тока молнии на системы молниезащиты сведены в таблицу А.3.

Максимальные значения этих параметров реализуются лишь в малом проценте вспышек молнии. Среднее значение пикового тока молнии составляет примерно 30 кА со средними значениями переноса заряда и удельной энергии 5 Кл и 55 кДж/Ом соответственно. Кроме того, электрические характеристики тока молнии меняются в зависимости от типа вспышки молнии, времени года и географического положения.

Электрические поля, непосредственно предшествующие прохождению молнии, являются также частью молниевой обстановки, и эти поля определяют, куда в конструкцию войдет молния, и будут ли непроводящие поверхности конструкции пробиты стримерами, и появится ли в соединяющих кабелях ток от внутренних проводящих элементов.

А.1.3 Формирование молниевого разряда и электрические параметры

Вспышки молнии образуются после отделения разряда в грозовых облаках вследствие процессов, описанных в научной литературе (например, [16]). Молнию замечают, когда этот заряд разряжается в землю или в зону с зарядом противоположной полярности в том же или соседнем облаке. Следующее далее описание касается только вспышек молнии, поражающих землю, что приводит к передаче заряда между грозовым облаком и землей.

Вспышка молнии обычно состоит из нескольких составляющих. Всю ветвь, проходящую один ионизированный путь, называют вспышкой молнии, которая длится до 1 с. Отдельные элементы вспышки называют короткими и длинными ударами молнии, которые более известны как непрерывные токи.

Существует два базовых типа вспышек молнии - инициированные сверху вниз или снизу вверх. Инициированная сверху вниз вспышка молнии берет начало в грозовой туче и направлена к земле. И наоборот, инициированная снизу вверх вспышка молнии берет начало в отдельной возвышенности на земле (например, на вершине горы) или наверху высокой заземленной конструкции и направлена в грозовую тучу. Как правило, эти базовые типы соответственно называют "вспышка грозовая туча - земля" или "нисходящая вспышка" и "вспышка земля - грозовая туча" или "восходящая (инициированная) вспышка".

Оба типа вспышек молнии далее подразделяют в зависимости от полярности заряда, снимаемого с грозовой тучи. Отрицательная вспышка уменьшает отрицательный разряд от грозовой тучи до земли. Положительная вспышка приводит к переносу положительного заряда от грозовой тучи до земли. Большинство вспышек молнии отрицательные и составляют до 90% вспышек "грозовая туча - земля". Положительные разряды составляют оставшиеся 10% вспышек "грозовая туча - земля". Как правило, положительные вспышки отличают самые мощные параметры тока (т.е. более высокие , и ), а отрицательные вспышки характеризуют самые крутые импульсы тока (т.е. самые высокие отношения ).

Вспышки молнии не похожи друг на друга из-за естественных изменений в образующей их грозовой туче и индивидуальных путей до земли. Например, невозможно предсказать, что следующая вспышка молнии, идущая к конкретной конструкции, будет иметь пиковый ток заданной величины. Можно лишь сказать, что конструкция имеет заданную вероятность поражения вспышкой молнии с параметрами тока, превышающими конкретную величину.

Распределения вероятности электрических параметров, используемых для описания удара молнии, были получены благодаря прямым измерениям реальных ударов молний в высокие башни [17], [18]. Эти статистические данные параметров тока молнии используют в стандартах молниезащиты группы МЭК 62305 (см. таблицу А.1). По всему миру появляется дополнительная информация с региональных и государственных систем обозначения мест молний. Эти системы могут регистрировать местоположение удара молнии и оценить пиковый ток.

Распределения вероятности, которые описывают параметры тока молнии, отличны для каждого типа молний (восходящая/нисходящая и положительная/отрицательная). Соответствующие распределения вероятности показаны ниже вместе с характерной формой волны каждого типа разряда. Указанный уровень вероятности показывает вероятность конкретного параметра тока отдельной молнии, превышающую табличное значение.

А.1.4 Вспышки "грозовая туча-земля"

Вспышка "грозовая туча-земля" (нисходящий инициированный разряд) первоначально образует предварительный пробой внутри грозовой тучи. В настоящее время физика этого процесса до конца не изучена. Намного лучше изучены части процесса разряда, которые происходят ниже уровня грозовых туч.

А.1.4.1 Отрицательные вспышки "грозовая туча-земля"

При отрицательной вспышке смещающийся лидер нисходит с грозовой тучи на землю ступенями в несколько десятков метров с временными паузами между отдельными ступенями примерно в 50 мкс. Ступени имеют короткие (обычно 1 мкс) импульсные токи более 1 кА. Полностью развитый канал лидера имеет общий заряд примерно 10 Кл или более. Диаметр канала лежит в диапазоне до нескольких десятков метров. Общая продолжительность процесса смещающегося лидера составляет несколько десятков миллисекунд. Тусклый канал лидера обычно не виден невооруженным глазом.

Потенциал окончания лидера, кончик лидера, превышает 10 MB по отношению к земле. По мере приближения кончика лидера к земле этот высокий потенциал повышает напряжение электрического поля на поверхности земли. Когда электрическое поле на уровне земли превышает величину электрического пробоя воздуха, "ответные" (движение вверх) лидеры исходят от земли или с конструкций на земле. Эти движущие вверх лидеры обычно называют соединительными лидерами. Соединительные лидеры играют важную роль в определении точки приложения вспышки молнии к объекту.

Когда нисходящий смещающийся лидер встречает движущийся вверх соединительный лидер, устанавливается непрерывная дорожка от грозовой тучи к земле. Затем накопленный в лидер-канале заряд разряжается на землю волной тока, распространяющейся до ионизированного канала на скорости примерно равной 1/3 скорости света. Этот процесс называют первой обратной молнией. Первая обратная молния может иметь пиковое значение до нескольких сотен килоампер и длительность несколько сотен микросекунд. Процесс входа распространяющейся вниз молнии показан на рисунке А.1.

Рисунок А.1 - Процессы при формировании вспышки "грозовая туча - земля"

После временного интервала от порядка 10 мс до нескольких сотен мс дальнейшие маршруты лидер/обратный удар молнии могут следовать по пути, выбранному первым обратным ударом молнии. Стреловидный лидер, предшествующий этим последующим обратным ударам молнии, обычно не является ступенчатым и намного быстрей (длительность несколько миллисекунд). В среднем вспышка молнии содержит от трех до четырех обратных ударов молнии (включая первый). Обратные удары молнии имеют видимую часть вспышки молнии.