Przewód ziemny powietrzny lub przewód uziemienia

Definicja przewodu ziemnego naziemnego (przewodów ziemnych)

Przewód ziemny naziemny, znany również jako przewód ziemny, jest kluczowym elementem systemów ochrony przed piorunami. Składa się on z jednego lub więcej przewodników, które są montowane ponad linią przesyłową, biegnąc od jednej konstrukcji nośnej do drugiej. Te przewody są starannie uziemione w regularnych odstępach wzdłuż ich długości.

Główną funkcją przewodu ziemnego jest przechwycenie bezpośrednich uderzeń piorunów, które w przeciwnym razie skierowałyby się na przewodniki fazowe linii przesyłowej. Przekierowując prąd piorunowy bezpiecznie do ziemi, chroni on krytyczne przewodniki elektryczne przed potencjalnym uszkodzeniem, zapewniając nieprzerwaną pracę systemu przesyłowego energii. Warto zauważyć, że choć jest bardzo skuteczny przeciwko piorunom, przewód ziemny nie ma wpływu na zmniejszenie impulsów spowodowanych przełączaniem, które są wynikiem innych zjawisk elektrycznych w systemie energetycznym.

Kiedy uderzenie pioruna występuje w środku przewodu ziemnego, powstają fale elektryczne, które rozprzestrzeniają się w przeciwnych kierunkach wzdłuż linii. Ostatecznie te fale docierają do sąsiednich wież przesyłowych, które są zaprojektowane tak, aby bezpiecznie kierować energię elektryczną do ziemi. Jednak skuteczność przewodu ziemnego zależy od kluczowego czynnika: opór między podstawą wieży a ziemią musi być utrzymany na odpowiednio niskim poziomie. Wysoka wartość oporu może utrudnić efektywne rozproszenie prądu piorunowego, obniżając zdolność przewodu ziemnego do ochrony linii przesyłowej i prowadząc do impulsów elektrycznych oraz uszkodzeń sprzętu.

Jeśli opór między podstawą wieży a ziemią nie jest niski, a przewód ziemny lub wieża zostanie trafiony piorunem, piorun wywoła bardzo wysoki potencjał. Ten wysoki potencjał może spowodować przepalanie z wieży do jednego lub większej liczby przewodników fazowych. To zjawisko jest znane jako odwrotne przepalenie.

Odwrotne przepalenie występuje specjalnie, gdy iloczyn prądu w wieży i impedancji wieży przekracza poziomy izolacji linii przesyłowej. Aby zmniejszyć to ryzyko, skutecznym podejściem jest redukcja oporu podstawy wieży. W obszarach o wysokiej rezystywiczności gleby często stosuje się wbijane pręty i kontrapozycje.

Kontrapozycja to przewód zakopany w ziemi, zwykle wykonany ze stali galwanizowanej. Dla końcówki naziemnej, kontrapozycja pełni rolę specjalnego zacisku ziemnego. Jej zadaniem jest zmniejszenie impedancji przewodzenia do ziemi i zwiększenie sprzężenia między przewodem ziemnym a przewodnikiem, co poprawia ogólną skuteczność ochrony przed piorunami systemu.

W liniach przesyłowych wykorzystuje się dwa główne typy kontrapozycji: kontrapozycję równoległą i kontrapozycję promienistą.

Kontrapozycja równoległa

Kontrapozycja równoległa składa się z jednego lub większej liczby przewodników umieszczonych pod ziemią wzdłuż całej długości linii przesyłowej. Te linie kontrapozycji są podłączone do przewodu ziemnego naziemnego przy każdej wieży i słupie. Ta konfiguracja pomaga równomiernie rozprowadzać prąd elektryczny podczas uderzenia pioruna, zmniejszając potencjał do powstania wysokich napięć i minimalizując prawdopodobieństwo odwrotnego przepalenia.

Kontrapozycja promienista

Kontrapozycja promienista charakteryzuje się serią przewodów, które rozchodzą się w promienistej formie od podstawy nóg wieży. Konkretna ilość i długość tych przewodów są dokładnie określone na podstawie dwóch kluczowych czynników: geograficznego położenia wieży i panujących warunków glebowych. Te zmienne odgrywają istotną rolę w optymalizacji skuteczności kontrapozycji w zmniejszaniu oporu podstawy wieży i poprawianiu ogólnej ochrony przed piorunami linii przesyłowej.

Kąt osłony lub ochronny

Kąt osłony lub ochronny definiuje się jako miara kąta między pionową orientacją przewodu ziemnego a przewodnikiem fazowym, który wymaga ochrony. Zazwyczaj ten kąt mierzy się jako kąt utworzony między linią pionową przechodzącą przez przewód ziemny a linią łączącą przewód ziemny z zewnętrznym przewodnikiem fazowym. Ten kąt stanowi kluczowy parametr w projektowaniu i ocenie systemów ochrony przed piorunami lini przesyłowych naziemnych, ponieważ bezpośrednio wpływa na zdolność przewodu ziemnego do przechwytywania uderzeń piorunów i ochrony przewodników fazowych przed potencjalnym uszkodzeniem.

Optymalizacja konfiguracji osłon i przewodów ziemnych

Aby osiągnąć optymalną ochronę przed uderzeniami piorunów w liniach przesyłowych naziemnych, kluczowe jest minimalizowanie kąta ochronnego. Kąty w zakresie od 20° do 30° uchodzą za bardzo skuteczne i bezpieczne, zapewniające odpowiednią ochronę przewodników fazowych. Inżynierowie zazwyczaj unikają ustawiania kąta ochronnego powyżej 40°, ponieważ to znacznie obniża skuteczność osłony i zwiększa ryzyko bezpośrednich uderzeń piorunów w przewodniki.

W nowoczesnych systemach wysokiego napięcia, które często mają przewodniki o szerszych odstępach, stała się normą konfiguracja dwuprzewodowa przewodów ziemnych. Ta konfiguracja oferuje lepszą ochronę w porównaniu do tradycyjnych systemów jednoprzewodowych. Użycie dwóch przewodów ziemnych nie tylko zwiększa ogólną obsługę i zdolności przechwytywania piorunów, ale także przynosi kilka elektrycznych korzyści. Na przykład impedancja impulsowa systemu dwuprzewodowego jest niższa, co pozwala na bardziej efektywne rozpraszanie impulsów elektrycznych wywołanych piorunami. Ponadto obecność dwóch przewodów zwiększa efekt sprzężenia między przewodami ziemnymi a przewodnikami fazowymi. To zwiększone sprzężenie pomaga lepiej zrównoważyć ładunki elektryczne, dalej zmniejszając prawdopodobieństwo nadnapięć i poprawiając ogólną niezawodność i odporność infrastruktury przesyłowej wysokiego napięcia.