Молниезащита и заземление

Размещено на http://www.allbest.ru/

курс: «Техника высоких напряжений»

тема: «Молниезащита и заземление»



ЗАДАНИЕ

Дана подстанция на 110 кВ (см. приложение А). Определить наиболее оптимальные места установки молниеотводов, их высоту и радиус зоны защиты. Рассчитать стационарное и импульсное сопротивления заземлителей подстанции. Вероятность прорыва молнии равна 0,01. Удельное сопротивление грунта - 430 .



ВВЕДЕНИЕ

Безаварийная работа электроустановок промышленных предприятий обеспечивается выполнением комплекса организационных и технических мероприятий. Важное место среди них занимает защита объектов от прямого и непрямого воздействия грозовых разрядов. В настоящее время проблема молниезащиты и защиты от перенапряжений приобретает все большую актуальность в связи с тем, что в электрических сетях возрастает количество потребителей, чувствительных к импульсам перенапряжений и электромагнитным помехам [1], а также из-за высокой стоимости оборудования подстанции и сложности устранения последствий прямого попадания молнии.

Безупречная работа молниезащиты достигается при детальной проработке и реализации систем внешней и внутренней защиты. Малейшее отклонение в координации этих систем может стать причиной возникновения опасных перенапряжений и электромагнитных помех, приводящих к сбою в работе оборудования или выходу его из строя [1].



1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О МОЛНИИ

Молния представляет собой электрический разряд в атмосфере между облаком и землей (или между разноименно заряженными частями облаков). Разряду молнии предшествует процесс разделения и накопления электрических зарядов в грозовых облаках, происходящий в результате возникновения в облаках мощных восходящих воздушных потоков и интенсивной конденсации в них водяных паров [2].

По мере концентрации зарядов увеличивается напряженность электрического поля вблизи облака. Когда она достигает критической величины (порядка 30 кв/см), начинается ионизация воздуха (процесс образования заряженных частиц - ионов и электронов, в результате чего воздух становится электропроводящим) и по направлению к земле начинает развиваться разряд. В этой начальной (лидерной) стадии молния представляет собой относительно медленно (со скоростью в среднем см/сек) развивающейся по направлению к земле слабо светящийся канал (лидер), окруженный достаточно обширной зоной ионизации, которая заполняется зарядами, стекающими из облака. Распределенный вдоль канала заряд связывает на поверхности земли и на расположенных на ней объектах, например на металлической мачте, заряды другого знака. По мере приближения головки разряда к земле повышается напряженность электрического поля на вершине возвышающегося над поверхностью земли объекта и с него может начать развиваться встречный канал разряда (встречный стример). Зона ионизации встречного стримера заполняется стекающими с вершины мачты зарядами, имеющими знак, обратный зарядам лидера. В большинстве случаев заряд облака и лидера имеет отрицательную полярность, а заряд встречного стримера - положительную. Длина встречного стримера с объектов высотой до 100 м имеет величину до 20-30 м [2].

Когда головки лидера и встречного стримера соприкасаются, начинается главная стадия разряда. Во время этой стадии происходит нейтрализация зарядов в основном в зоне ионизации лидера. Процесс этот распространяется в направлении от земли к облаку, со скоростью порядка см/сек и сопровождается сильным свечением канала разряда. По каналу в течение очень короткого времени (до 100 мксек) протекает весьма большой ток, разогревающий канал до температуры порядка 10000 и больше. При нагревании канал быстро расширяется, что вызывает распространение в окружающем воздухе ударной волны, имеющей на своем фронте высокое давление [2].

Часто по одному и тому же каналу происходит несколько разрядов молнии (до 20), во время которых разряжаются на землю скопления зарядов, расположенные в разных местах по высоте облака. Это явление воспринимается нами как мерцание молнии. Такая молния может длиться до 1 сек [2].

Стекание зарядов в зону ионизации встречного стримера, развивающегося с мачты, а также протекание по мачте зарядов, нейтрализующих заряд лидера и облака, образует электрический ток в мачте, который может быть зарегистрирован электронным осциллографом. Величина этого тока изменяется на разных стадиях разряда. Во время начальной стадии течет очень небольшой по величине ток (десятки сотни ампер). Во время главной стадии за 3-10 мксек величина тока возрастает до многих тысяч ампер, затем постепенно падает. На заключительной стадии разряда происходит нейтрализация оставшихся зарядов в облаке, ток в этой стадии опять имеет относительно небольшую величину [2].

Током молнии обычно называют кратковременный (до 100 мксек) пик тока, протекающего во время главной стадии разряда [2].

Максимальная зарегистрированная амплитуда тока молнии составляет 200-230 кА. Но молнии с такими токами возникают редко. Наиболее часто встречаются молнии с током порядка 20 кА .

При разряде молнии в землю могут поражаться различные объекты, в частности, воздушные линии электропередач и подстанции. Протекание тока молнии через объект вызывает возникновение волны напряжения молнии, которая может пробить и разрушить изоляцию электротехнических устройств [2].



2. МОЛНИЕОТВОДЫ

Защита зданий и сооружений от ударов молнии осуществляется с помощью молниеотводов. Молниеотвод представляет собой возвышающееся над защищаемым объектом устройство, состоящее из молниеприемника, непосредственно воспринимающего на себя удар молнии, токоотводящих спусков и заземлителя, через который ток молнии стекает в землю. Защитное действие молниеотводов основано на свойстве молнии поражать прежде всего более высокие и хорошо заземленные металлические объекты. Благодаря этому защищаемый объект, более низкий по высоте, будучи расположенным поблизости от молниеотвода, практически не будет поражаться молнией. Пространство вокруг молниеотвода, защищенное от попаданий молнии, называется его зоной защиты. [2]. Расчет зоны защиты одиночного молниеотвода на высоте защищаемого объекта производится по формуле (2.1). Данная формула была получена в результате исследований, проведенных А.А. Акопяном во Всесоюзном электротехническом институте имени В.И. Ленина

, (2.1)

где - радиус зоны защиты на высоте ;

h - высота молниеотвода;

- высота защищаемого объекта;

Зона защиты одиночного молниеотвода показана на рисунке 2.1



Рисунок 2.1 - Зона защиты одиночного молниеотвода

При определении зон защиты были приняты условности. Поверхность нулевого потенциала относительно которой строится зона защиты, принята совпадающей с поверхностью земли, в то время как она расположена ниже и положение ее зависит от геологического строения грунта, уровня грунтовых вод. Не учтена роль встречного стримера, имеющего в лабораторных опытах относительно большую длину, чем в реальных условиях. Приняты недостаточно обоснованные предположения относительно высоты, с которой канал лидера молнии начинает ориентироваться на молниеотвод [2].

В некоторых случаях можно воспользоваться упрощенным построением, как это показано на рисунке 2.2. На этом же рисунке показана зона защиты, построенная по приведенной выше формуле [2].



Рисунок 2.2 - Зона защиты одиночного молниеотвода

1 - упрощенное построение; 2 - зона защиты, построенная по формуле 2.1

Зона защиты между двойными молниеотводами имеет значительно большие размеры (рисунок 2.3), чем зоны защиты двух одиночных молниеотводов. Зона защиты определяется двумя окружностями, с радиусами и касательными к этим окружностям, которые пересекаются в точках, расстояние между которыми равно .

, (2.2)

где S - расстояние между молниеотводами.



Рисунок 2.3 - Зона защиты двойного молниеотвода.

Таким образом, для надежной защиты от удара молнии, защищаемый объект должен всеми своими частями входить в зону защиты молниеотвода в пределах радиуса .



3. ЗАЗЕМЛИТЕЛИ

Заземлители -- это металлические проводники или группа проводников, непосредственно соединенные с землей [3].

Заземление - преднамеренное электрическое соединение какой-либо точки электрической сети, электроустановки или оборудования с заземляющим устройством. Заземляющее устройство состоит из заземлителя (проводящей части или совокупности соединённых между собой проводящих частей, находящихся в электрическом контакте с землей непосредственно или через промежуточную проводящую среду) и заземляющего проводника, соединяющего заземляемую чисть (точку) с заземлителем. Заземлитель может быть простым металлическим стержнем (чаще всего стальным, реже медным) или сложным комплексом элементов специальной формы [3].

Различают несколько типов заземлителей:

1. Кольцевой (поверхностный) заземлитель представляет собой замкнутое кольцо. Минимум 80% общей длины кольцевого заземлителя, вне строительного сооружения должны контактировать с землей. Он прокладывается на расстоянии не менее 1,0 м от здания и на глубине 0,5 м. В областях с высокой коррозионной нагрузкой необходимо использовать кольцевой заземлитель из нержавеющей стали. Все соединения в грунте должны быть защищены от коррозии.

Для устройства кольцевого заземлителя используются:

1) плоские проводники из оцинкованной стали 40х4 мм;

2) плоские проводники из нержавеющей стали 40х4 мм;

3) круглый медный проводник диаметром 8 мм;

4) круглые проводники из оцинкованной стали диаметром 10 мм;

5) круглые проводники из нержавеющей стали диаметром 10 мм.

2. Глубинный заземлитель представляет собой заземлитель, который, как правило, устанавливается вертикально в земле на значительном заглублении. В качестве отдельного заземлителя для каждого токоотвода рекомендуется использовать по одному глубинному заземлителю длиной 9,0 м, который прокладывается на расстоянии 1,0 м от сооружения. В конкретном случае длина глубинного заземлителя зависит от характеристик грунта. Монтаж глубинных заземлителей может производиться при помощи электро-, бензо-, пневмомолотов либо вручную в зависимости от грунта. Все соединения в грунте должны быть защищены от коррозии. Все глубинные заземлители должны быть соединены с кольцевым заземлителем внутри или снаружи здания и снабжены вводом к шине уравнивания потенциалов.

Для устройства глубинного заземлителя используются:

1) стержни из оцинкованной стали диаметром 20 мм;

2) стержни из нержавеющей стали диаметром 20 мм;

3) трубы из оцинкованной стали диаметром 25 мм;

4) плоские проводники из оцинкованной стали 40х4 мм;

5) плоские проводники из нержавеющей стали 40х4 мм.

3. Фундаментный заземлитель устанавливается в бетонном фундаменте здания. Он действует в качестве заземлителя системы молниезащиты в том случае, если требуемые внешние выводы для соединения токоотводов выведены из фундамента. Полосовую сталь следует соединять с арматурой примерно через 3 м. Использование в земле клинообразных зажимов запрещено. Для обеспечения чистоты прокладки фундаментного заземлителя рекомендуется использовать ленточные держатели. Их следует устанавливать через 2 м. В зонах с риском возникновения коррозии следует использовать только нержавеющую сталь.

Для устройства фундаментного заземлителя используются:

1) плоские проводники из оцинкованной стали 40х4 мм;

2) плоские проводники из нержавеющей стали 40х4 мм;

3) круглые проводники из меди диаметром 8 мм;

4) круглые проводники из оцинкованной стали диаметром 10 мм;

5) круглые проводники из нержавеющей стали диаметром 10 мм [3].

Качество заземления определяется значением сопротивления заземления (чем ниже, тем лучше), которое можно снизить, увеличивая площадь заземляющих электродов и уменьшая удельное электрическое сопротивление грунта: увеличивая количество заземляющих электродов и/или их глубину; повышая концентрацию солей в грунте. Чаще всего искусственным заземлителем является стальной проводник, заложенный в грунт горизонтально или вертикально (наклонно), или группа таких проводников, соединенных между собой (название «горизонтальные» и «вертикальные» заземлители весьма условно, строгое соблюдение горизонтальности не обязательно, важно, чтобы электроды находились в грунте на нужной глубине, не подвергаясь повреждениям при работе машин). В последнем случае заземлитель называется сложным, а если электроды образуют контур, то такой сложный заземлитель называется заземляющим контуром [3].

Качество контура заземления характеризуется его сопротивлением, которое для электроустановок с большими токами замыкания на землю должно быть не более 0,5 Ом. Подстанции напряжением выше 35 кВ относятся к таким установкам [3].

Контур заземления выполняется из протяженных (из полос) и глубинных (из прутков и уголков) заземлителей. К контуру присоединяются все без исключения корпуса и кожухи оборудования [3].

молния электроустановка защита здание



4. РАСЧЕТ МОЛНИЕЗАЩИТЫ И ЗАЗЕМЛЕНИЯ ПОДСТАНЦИИ

4.1 Расчет заземления

Определим стационарное сопротивление :

, (4.1)

где А=0,44;

, , ;

- площадь подстанции, .

Площадь подстанции рассчитана с учетом отступа внутрь на 1 метр.

После расчета по формуле (4.1) получаем:

Определим импульсный коэффициент заземления :

, (4.2)

где - принимает значение 20, 30, 60, 100 кА.

Определим импульсное сопротивление :

(4.3)

Результаты расчета и заносим в таблицу 4.1.



Таблица 4.1 - Значения импульсных коэффициентов заземления и сопротивления заземлителей для шкалы тока.

	20	30	60	100
	0,87	0,81	0,69	0,58
	7,77	7,23	6,16	5,18

Определим сопротивление одного стержневого вертикального заземлителя :

, (4.4)

где l - длинна заземлителя, l=4м;

t - расстояние между заземлителями, t=1м;

d - диаметр заземлителя, d=0.15м.

После расчета по формуле (4.4) получаем:

Определим общее число заземлителей n:

, (4.5)

где , ;

P - периметр, .

Периметр подстанции рассчитан с учетом отступа внутрь на 1 метр.

После расчета по формуле (4.5) получаем:

Таким образом выбираем общее число заземлителей - 32.

Определим крутизну тока молнии :

, (4.6)

где ;

- принимает значение 20, 30, 60 кА;

- используем данные из таблицы 4.1;

L - расстояние между линиями, ;

- высота крепления гирлянд, .

Результаты расчета заносим в таблицу 4.2.

Таблица 4.2 - крутизна тока молнии.

	20	30	60
	122,5	134	162,54
	7,77	7,23	6,16

Определим вероятность опасных параметров и :

(4.7)

(4.8)

Значения вероятности опасных параметров занесем в таблицу 4.3.

Таблица 4.3 - Значения вероятности опасных параметров.

	20	30	60
	0,85	0,79	0,62
	122,5	134	162,54

График зависимости от показан на рисунке 4.1.



Рисунок 4.1 - График зависимости от

Определим минимальное расстояние от молниеотвода до защищаемого объекта :

, (4.9)

где ;

После расчета по формуле (4.9) получаем:

Уточним расстояние между заземлителями d:

, (4.10)

где

После расчета по формуле (4.10) получаем:

4.2 Расчет молниезащиты

Места установки молниеотводов показаны в приложении А.

Подстанция условно разделена на четыре области.

Исходя из чертежа подстанции, выбираем минимальный радиус зоны защиты молниеотвода. Для первой и второй области он равен 8 метров. Подставив это значение в формулу (4.11) для нахождения радиуса зоны защиты, найдем минимальную высоту молниеотвода h:

, (4.11)

где - радиус зоны защиты, ;

- высота защищаемого объекта, .

Подставляем значения и находим h:

Решив квадратное уравнение, получаем минимальную высоту молниеотвода h=18,58 м.

Молниеотвод устанавливается на опору 20 м, выбираем высоту молниеотвода 4 м. Общая высота молниеотвода - h=24 м.

Определим радиус зоны защиты для данного молниеотвода по формуле (4.11):



Для зоны III и IV выбираем минимальный радиус зоны защиты молниеотвода - 12 метров. Найдем минимальную высоту молниеотвода h по формуле (4.11):

,

где

Решив квадратное уравнение, получаем минимальную высоту молниеотвода h=18,7 м.

Выбираем высоту молниеотвода h=18,7 м.

Определим радиус зоны защиты для данного молниеотвода по формуле (4.11):



ВЫВОДЫ

Таким образом, для защиты данной подстанции было выбрано 4 молниеотвода и 32 заземлителя. Также были определены значения импульсных коэффициентов заземления. Данные параметры молниеотводов соответствуют достаточной защите подстанции.



СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Кабышев А.В. Молниезащита электроустановок систем электроснабжения / Издательство ТПУ, Томск 2006.

2. Ларионов В. П. Защита жилых домов и производственных сооружений от молнии / Государственное энергетическое издательство, Москва 1960.

3. www.mzke.ru.

4. А.В. Иванов Методическое пособие по расчету систем оперативного тока, собственных нужд, заземляющих устройств и молниезащиты подстанций 35 кВ и выше / Нижний Новгород 2000 г.

5. Басманов Б.Г. Заземление и молниезащита / Киров 2010.

6. Инструкция по устройству молниезащиты зданий и сооружений РД 34.21.122-87.

Размещено на Allbest.ru

...