Details

В работе рассмотрены физические механизмы возникновения индуцированных перенапряжений при ударе молнии в землю, а также их воздействие на подземные кабельные линии. Проведён обзор современных методов защиты и технических решений по снижению риска пробоя кабельной изоляции и выхода оборудования из строя. В практической части диплома разработана численная модель в программной среде COMSOL Multiphysics, позволяющая проанализировать процесс распространения импульсного тока в грунте и его влияние на подземный кабель. Для описания электромагнитных процессов использованы интерфейсы Electric Currents и Magnetic Fields. Модель учитывает осесимметричную геометрию, а также нелинейные свойства среды, связанные с ростом проводимости при высоких напряжённостях поля. Удар молнии в модельной постановке реализован через импульсный ток, вводимый на границу, с функцией, аппроксимирующей реальный разряд. В работе рассмотрены физические процессы распространения токов молнии в грунте и их влияние на подземные коммуникации. Проведены теоретические расчёты напряжённости электрического поля при разряде тока молнии 50 кА в типовую модель влажного песчаного грунта. Определено, что безопасное расстояние от точки удара составляет не менее 5 метров для предотвращения пробоя изоляции кабеля 10 кВ. Выполнена количественная оценка вероятности попадания молнии в опасную зону вдоль кабельной линии длиной 1000 м. Установлено, что при плотности грозовой активности 2 уд./км²·год вероятность поражения в пределах 5 м от трассы составляет 1,98 % в год и достигает 39 % за 25 лет. Эти данные свидетельствуют о высокой вероятности индуцированных перенапряжений в процессе эксплуатации. Подтверждена необходимость комплексных защитных мероприятий, включая многоточечное заземление, зарывание кабеля в глубь на открытых местностях, экранирование и использование ограничителей перенапряжения. Показано, что реализованные меры позволяют снизить индуцированное напряжение до безопасного уровня и значительно повысить надёжность кабельной линии. Результаты работы могут использоваться при проектировании систем электроснабжения и при разработке рекомендаций по молниезащите подземных энергетических объектов.

The paper considers the physical mechanisms of the occurrence of induced overvoltages when lightning strikes the ground, as well as their effects on underground cable lines. A review of modern protection methods and technical solutions to reduce the risk of cable insulation breakdown and equipment failure is carried out. In the practical part of the diploma, a numerical model has been developed in the COMSOL Multiphysics software environment, which makes it possible to analyze the propagation of pulsed current in the ground and its effect on an underground cable. The interfaces Electric Currents and Magnetic Fields are used to describe electromagnetic processes. The model takes into account the axisymmetric geometry, as well as the nonlinear properties of the medium associated with increased conductivity at high field strengths. A lightning strike in the model formulation is realized through a pulsed current injected at the boundary with a function approximating a real discharge. As a result of calculations, the levels of induced potentials at various points of the model were determined, the most vulnerable sections of the structure were identified, and it was shown that even in the absence of direct lightning contact with the cable, the induced voltage can reach dangerous values (up to 7 million volts). The need for comprehensive protective measures, including multipoint grounding, shielding, and the use of surge arresters, has been confirmed.