Перенапряжения и молниезащита

В соответствии с назначением зданий и сооружений необходимость выполнения молниезащиты и ее категория, а при использовании стержневых и тросовых молниеотводов -- тип зоны защиты определяются в зависимости от среднегодовой продолжительности гроз в месте нахождения здания или сооружения, а также от ожидаемого количества поражений его молнией в год.

Здания и сооружения, отнесенные по устройству молниезащиты к I и II категориям, должны быть защищены от прямых ударов молнии, вторичных ее проявлений и заноса высокого потенциала через наземные (надземные) и подземные металлические коммуникации.

Здания и сооружения, отнесенные по устройству молниезащиты к III категории, должны быть защищены от прямых ударов молнии и заноса высокого потенциала через наземные (надземные) металлические коммуникации.

Наружные установки, отнесенные по устройству молниезащиты ко II категории, должны быть защищены от прямых ударов и вторичных проявлений молнии.

Наружные установки, отнесенные по устройству молниезащиты к III категории, должны быть защищены от прямых ударов молнии. Внутри зданий большой площади (шириной более 100 м) необходимо выполнять мероприятия по выравниванию потенциалов.

Для зданий и сооружений с помещениями, требующими устройства молниезащиты I и II или I и III категорий, молниезащиту всего здания или сооружения следует выполнять по I категории.

Если площадь помещений I категории молниезащиты составляет менее 30% площади всех помещений здания (на всех этажах), молниезащиту всего здания допускается выполнять по II категории независимо от категории остальных помещений. При этом на вводе в помещения I категории должна быть предусмотрена защита от заноса высокого потенциала по подземным и наземным (надземным) коммуникациям.

В целях защиты зданий и сооружений любой категории от прямых ударов молнии следует максимально использовать в качестве естественных молниеотводов существующие высокие сооружения (дымовые трубы, водонапорные башни, прожекторные мачты, воздушные линии электропередачи и т.п.), а также молниеотводы других близко расположенных сооружений.

Если здание или сооружение частично вписывается в зону защиты естественных молниеотводов или соседних объектов, защита от прямых ударов молнии должна предусматриваться только для остальной, незащищенной его части. Если в ходе эксплуатации здания или сооружения реконструкция или демонтаж соседних объектов приведет к увеличению этой незащищенной части, соответствующие изменения защиты от прямых ударов молнии должны быть выполнены до начала ближайшего грозового сезона; если демонтаж или реконструкция соседних объектов проводятся в течение грозового сезона, на это время должны быть предусмотрены временные мероприятия, обеспечивающие защиту от прямых ударов молнии незащищенной части здания или сооружения. Защитное действие молниеотводов проявляется в лидерной стадии развития разряда. Но на некоторой высоте h над поверхностью земли (высоте ориентировки молнии), начинает сказываться искажение электрического поля земными сооружениями, что влияет на вероятностную траекторию разряда. Вероятность разряда в более низкие чем молниеотвод объекты резко снижается. Пространство, защищенное от прямых ударов молнии, называется защитной зоной молниеотвода. Эта зона определяется на моделях, в которых канал молнии имитируются стержнем, расположенным на высоте ориентировки молнии h и на который подается импульс напряжения генератора импульсных напряжение (ГИН). Стержень располагается в местах, откуда вероятность поражения молнией объекта наибольшая.

Зона защиты одиночного стержневого молниеотвода (рисунок 5.1) представляет собой пространство вблизи молниеотвода, ограниченное поверхностью вращения в виде шатра, радиус которого на высоте hx находится по эмпирической формуле

(5.1)

где р=1 при h??30 м, p =?5,5/v h при h=30/?100 м, h-?hx=ha - активная высота молниеотвода.

Рисунок 5.1 - Зона защиты одиночного стержневого молниеотвода

Экспериментально на моделях определена “зона 100 % поражения” стержневого молниеотвода, в которой лидер молнии всегда развивается по направлению к молниеотводу. На высоте ориентировки молнии радиус этой зоны принимают равным 3,5 ha. Зона защиты

двух стержневых молниеотводов, если их разместить на расстоянии a=7ha, имеет значительно большие размеры. Если нужно защитить точку, находящуюся посередине между молниеотводами высотой h на высоте h0, то расстояние между ними должно составлять

Внутренняя часть зоны двух стержневых молниеотводов в плоскости, проходящей через оба молниеотвода, ограничивается дугой окружности, которую можно построить по трем точкам: одна расположена посередине между молниеотводами на высоте h0, а две других - вершины молниеотводов ( рисунок 5.2).

Рисунок 5.2 -. Зона защиты двух стержневых каждых трёх ближайших друг к молниеотводов

ОРУ подстанций располагаются на значительной территории и защищаются несколькими молниеотводами. При этом внешняя часть зоны определяется так же, как и зона защиты двух молниеотводов (рисунок 5.2). Для защиты объекта высотой hx внутри треугольника или прямоугольника, в вершинах которых установлены молниеотводы, диаметр окружности, проходящей через вершины треугольника, или диагональ прямоугольника должны удовлетворять условию

При произвольном расположении молниеотводов условие (6.3) проверяется для каждых трех ближайших друг к другу молниеотводов в отдельности. При этом высота hx всегда должна быть меньше высоты h0, определённой для каждой отдельно взятой пары молниеотводов.

Экранирующее действие тросов характеризуют углом защиты Ь, образованным вертикалью, проходящей через трос, а линией, соединяющей трос с проводом (рисунок 5.3).

Рисунок 5.3 -Угол защиты и зона защиты тросов на линии электропередачи

Наличие защитных тросов не гарантирует 100% надёжности защиты, т.е. существует вероятность поражения провода “прорыва молнии мимо тросовой защиты” (Ра). Эта вероятность подсчитывается по эмпирической формуле

где hоп - высота опоры.

Для снижения вероятности прорыва молнии уменьшают защитные углы на высоких опорах путем раздвигания тросостоек к концам траверсы при сохранении условия защиты среднего провода. Статистика показала, что средний провод находится в лучших условиях защиты от поражений. Внутренняя область ограничивается дугой окружности, проходящей через тросовые молниеотводы и среднюю точку “0”, находящую на высоте

h0 =h-а/ 4, (5.5)

Оптимальные углы защиты для линий 35….???110 кВ установлены практикой в пределах 25….???31°. Защита от прямых ударов молнии здании и сооружении, относимых по устройству молниезащиты к I категории, должна выполняться отдельно стоящими стержневыми или тросовыми молниеотводами.

При этом для отдельно стоящих молниеотводов приемлемыми являются следующие конструкции заземлителей:

а) один (и более) железобетонный подножник длиной не менее 2м или одна (и более) железобетонная свая длиной не менее 5 м;

б) одна (и более) заглубленная в землю не менее чем на 5 м стойка железобетонной опоры диаметром не менее 0,25 м;

в) железобетонный фундамент произвольной формы с площадью поверхности контакта с землей не менее 10 м2;

г) искусственный заземлитель, состоящий из трех и более вертикальных электрода длиной не менее 3 м.

Защита от прямых ударов молнии зданий и сооружений II категории с неметаллической кровлей должна быть выполнена отдельно стоящими или установленными на защищаемом объекте стержневыми или тросовыми молниеотводами, обеспечивающими зону защиты. При установке молниеотводов на объекте от каждого стержневого молниеприемника или каждой стойки тросового молниеприемника должно быть обеспечено не менее двух токоотводов. При уклоне кровли не более 1:8 может быть использована также молниеприемная сетка.

Молниеприемная сетка должна быть выполнена из стальной проволоки диаметром не менее 6 мм и уложена на кровлю сверху или поднесгораемые или трудносгораемые утеплитель или гидроизоляцию. Шаг ячеек сетки должен быть не более 6х 6 м. Узлы сетки должны быть соединены, сваркой. Выступающие над крышей металлические элементы (трубы, шахты, вентиляционные устройства) должны быть присоединены к молниеприемной сетке, а выступающие неметаллические элементы -- оборудованы дополнительными молниеприемниками, также присоединенными к молниеприемной сетке.

Установка молниеприемников или наложение молниеприемной сетки не требуется для зданий и сооружений с металлическими фермами при условии, что в их кровлях используются несгораемые или трудносгораемые утеплители и гидроизоляция.

На зданиях и сооружениях с металлической кровлей в качестве молниеприемника должна использоваться сама кровля. При этом все выступающие неметаллические элементы должны быть оборудованы молниеприемниками, присоединенными к металлу кровли.

Токоотводы от металлической кровли или молниеприемной сетки, должны быть проложены к заземлителям не реже чем через 25 м по периметру здания.

При прокладке молниеприемной сетки и установке молниеотводов на защищаемом объекте всюду, где это возможно, в качестве токоотводов следует использовать металлические конструкции зданий и сооружений (колонны, фермы, рамы, пожарные лестницы и т.п., а также арматуру железобетонных конструкций) при условии обеспечения непрерывной электрической связи в соединениях конструкций и арматуры с молниеприемниками и заземлителями, выполняемых, как правило, сваркой.

Токоотводы, прокладываемые по наружным стенам зданий, следует располагать не ближе чем в 3 м от входов или в местах, не доступных для прикосновения людей.

В качестве заземлителей защиты от прямых ударов молнии во всех возможных случаях следует использовать железобетонные фундаменты зданий и сооружений.

При невозможности использования фундаментов предусматриваются искусственные заземлители:

при наличии стержневых и тросовых молниеотводов каждый токоотвод присоединяется к заземлителю, отвечающему требованиям п. 2.2г;

при наличии молниеприемной сетки или металлической кровли по периметру здания или сооружения прокладывается наружный контур следующей конструкции:

в грунтах с эквивалентным удельным сопротивлением с??500 Ом?м при площади здания более 250 м2 выполняется контур из горизонтальных электродов, уложенных в земле на глубине не менее 0,5 м, а при площади здания менее 250 м2 к этому контуру в местах присоединения токоотводов приваривается по одному вертикальному или горизонтальному лучевому электроду длиной 2...3 м;

в грунтах с удельным сопротивлением 500<с???1000 Ом_?м при площади здания более 900 м2 достаточно выполнить контур только из горизонтальных электродов, а при площади здания менее 900 м2 к этому контуру в местах присоединения токоотводов приваривается не менее двух вертикальных или горизонтальных лучевых электродов длиной 2...3 м на расстоянии 3...5 м один от другого.

В зданиях большой площади наружный контур заземления может также использоваться для выравнивания потенциала внутри здания. Во всех возможных случаях заземлитель защиты от прямых ударов молнии должен быть объединен с заземлителем электроустановок.

Наружные установки, содержащие горючие и сжиженные газы и легковоспламеняющиеся жидкости, следует защищать от прямых ударов молнии следующим образом:

а) корпуса установок из железобетона, металлические корпуса установок и отдельных резервуаров при толщине металла крыши менее 4 мм должны быть оборудованы молниеотводами, установленными на защищаемом объекте или отдельно стоящими;

б) металлические корпуса установок и отдельных резервуаров при толщине металла крыши 4 мм и более, а также отдельные резервуары вместимостью менее 200 м3 независимо от толщины металла крыши, а также металлические кожухи теплоизолированных установок достаточно присоединить к заземлителю.

Для резервуарных парков, содержащих сжиженные газы, общей вместимостью более 8000 м3, а также для резервуарных парков с корпу-» сами из металла и железобетона, содержащих горючие газы и легковоспламеняющиеся жидкости, при общей вместимости группы резервуаров более 100 тыс. м3 защиту от прямых ударов молнии следует, как правило, выполнять отдельно стоящими молниеотводами.

Если на наружных установках или в резервуарах (наземных или подземных), содержащих горючие газы или легковоспламеняющиеся жидкости, имеются газоотводные или дыхательные трубы, то они и пространство над ними должны быть защищены от прямых ударов молнии. Такое же пространство защищается над срезом горловины цистерн, в которые происходит открытый налив продукта на сливоналивной эстакаде. Защите от прямых ударов молнии подлежат также дыхательные клапаны и пространство над ними, ограниченное цилиндром высотой 2,5 м с радиусом 5м.

Для резервуаров с плавающими крышами или понтонами в зону защиты молниеотводов должно входить пространство, ограниченное поверхностью, любая точка которой отстоит на 5 м от легковоспламеняющейся жидкости в кольцевом зазоре.

Для наружных установок, в качестве заземлителей защиты от прямых ударов молнии следует по возможности использовать железобетонные фундаменты этих установок или опор отдельно стоящих молниеотводов либо выполнять искусственные заземлители, состоящие из одного вертикального или горизонтального электрода длиной не менее 5 м.

К этим заземлителям, размещенным не реже чем через 50 м попериметру основания установки, должны быть присоединены корпуса наружных установок или токоотводы установленных на них молниеотводов, число присоединений -- не менее двух.

Для защиты наружных установок от вторичных проявлений молнии металлические корпуса установленных на них аппаратов должны быть присоединены к заземляющему устройству электрооборудования или к заземлителю защиты от прямых ударов молнии.

На резервуарах с плавающими крышами или понтонами необходимо устанавливать не менее двух гибких стальных перемычек между плавающими крышами или понтонами и металлическим корпусом резервуара или токоотводами установленных на резервуаре молниеотводов.

Защита от заноса высокого потенциала по подземным коммуникациям осуществляется присоединением их на вводе в здание или сооружение к заземлителю электроустановок или защиты от прямых ударов молнии.

Защита от прямых ударов молнии зданий и сооружений, относимых по устройству молниезащиты к III категории, должна выполняться одним из способов, указанных выше.

При этом в случае использования молниеприемной сетки шаг ее ячеек должен быть не более 12 м [3,C.136].

Особенности молниезащиты высоких объектов. Защищать весьма высокие объекты с помощью еще более высоких отдельно стоящих молниеотводов нецелесообразно ни с технической, ни с экономической точки зрения, тем более, что эффективность молниеотводов снижается с увеличением их высоты. Защита высоких объектов осуществляется с помощью молниеприёмников, устанавливаемых на самом объекте. Поскольку высокие объекты, как правило, имеют металлический или железобетонный каркас, то он используется в качестве токоотвода. Для этого предусматривается надёжное соединение во время строительства стальной арматуры железобетонных деталей каркаса. Объекты высотой 100 м и более достаточно часто поражаются молнией. Например, Останкинская телевизионная башня (высота более 530 м ), поражается в среднем 30 раз в грозовой сезон. При этом поражениям подвергаются не только вершина, но и боковые выступающие части. Для предотвращения разрушений в местах возможного поражения молнией устанавливается молниеприемники, соединяемые с каркасом сооружения. В качестве таких молниеприёмников используются как конструктивные элементы сооружения, так и специальные металлические проводники.

К каркасу объекта, являющемуся токоотводом с целью выравнивания потенциалов по горизонтальный уровням через каждые 10???….15 м по высоте присоединяются трубопроводы, протяженные металлические элементы (например, каркасы лифтов), а также металлические экраны электропроводки и оболочки кабелей. Каркас объекта через каждые 20???…30 м по его периметру присоединяется к заземляющему контуру.

Для защиты электрооборудования:

- все сети низкого напряжения как внутри, так и снаружи объекта прокладываются в стальных трубах;

- корпуса всей электроаппаратуры, а также нейтрали трансформаторов присоединяются к каркасу;

- оболочка входящих в объект кабелей присоединяются в месте входа к каркасу или к заземляющему контуру.

Выполнение всех этих мероприятия позволяет обеспечить безопасность людей, предохранить от разрушений внешние непроводящие элементы объекта и обеспечить безаварийную работу электрооборудования [3,C.146].

6.Общая классификация заземлений в электрических установках

В настоящее время различают заземление грозозащиты, рабочее заземление и защитное заземление. В некоторых случаях один и тот же заземлитель выполняет несколько назначений одновременно.

Заземление молниеотводов, опор ВЛ, разрядников является необходимым условием эффективной грозозащиты электрических сетей. К рабочему заземлению относятся заземление нейтралей силовых трансформаторов, дугогасящих аппаратов, генераторов, заземление фазы при использовании земли в качестве рабочего провода и др. Защитное заземление служит для обеспечения безопасности людей, обслуживающих электрическую установку, путем заземления металлических частей установки, например, генераторов, которые нормально имеют нулевой потенциал, но могут оказаться под напряжением при перекрытии или пробое изоляции.

Заземлитель характеризуется сопротивлением, которое окружающий грунт оказывает стекающему с него току. При стекании с заземлителя относительно небольшого и медленно меняющегося со временем тока промышленной частоты заземлитель называют стационарным (RЮ).

Сопротивление заземлителя при протекании импульсного тока связано с RЮ ??соотношением

R u=ЬR

где Ь?- коэффициент импульса заземлителя.

Особенностями тока молнии являются его большая амплитуда и кратковременность, что сказывается на величине коэффициента импульса. При стекании с заземлителя тока плотностью д ?в грунте возникает электрическое поле (Eu=дсu) в грунте с удельным сопротивлением растеканию импульсного тока сu. Установлено, что с ростом напряженности поля сu грунтов плавно уменьшается, что связано, по-видимому, с явлением нелинейной проводимости, свойственной всем полупроводникам, в том числе и грунтам. При дальнейшем возрастании д ?напряженность электрического поля вблизи заземлителя достигает пробивной напряженности грунта (Епр=10...12кВ/см). Искрообразование приводит к резкому снижению падения напряжения в искровом разряде (рисунок 6.1), который, в свою очередь переходит в дуговую стадию. Так как градиенты в грунте по мере удаления от заземляющей стержня возрастают, то падение импульсного удельного сопротивления, вследствие искрообразования в грунте, эквивалентно увеличению геометрических размеров заземлителя. Импульсное искрообразование в грунте происходит с большим запозданием. Обычно коэффициенты импульса определяются для времен 3???…6 мкс, когда искровые процессы уже успевают полностью установиться. При малых временах (1...2 мкс) Ь…>1.

Рисунок 6.1 - Характер процессов в грунте при прохождении через заземлитель больших импульсных токов: 1 - заземлитель; 2 - дуговая зона; 3 - искровая зона полупроводниковой проводимости; 5 - зона постоянной проводимости

Импульсный характер воздействия напряжения приводит к необходимости подразделять заземлители на сосредоточенные и протяженные. Заземлитель, имеющий относительно небольшую длину, у которой собственная индуктивность практически играет малую роль, называется сосредоточенным и его импульсный коэффициент всегда меньше единицы. В случае заметного проявления влияния индуктивности имеет место протяженный заземлитель, импульсный коэффициент которого может быть как меньше, так и больше единицы. Это зависит от преобладающего влияния индуктивности или искровых процессов.

Стационарное сопротивление заземлителя в однородном грунте может быть определено аналитически. Предполагая, что наиболее простой полушаровой заземлитель r0 в грунте с удельным сопротивлением с присоединен к баку трансформатора для защиты в случае перекрытия или пробоя изоляции (рисунок 6.2), имеем

и потенциал электрического поля заземлителя равен

где I - ток, стекающий с заземлителя.



Рисунок 6.2 - К определению сопротивления заземлителя, напряжения прикосновения и шага

Человек, касающийся бака во время протекания тока, оказывается под разностью потенциалов бака и земли в месте расположения ног человека, под так называемым напряжением прикосновения - un. Человек, идущий к трансформатору, оказывается под шаговым напряжением uш. Таким образом, для обеспечения безопасности обслуживающего персонала заземляющее устройство следует проектировать таким образом, чтобы напряжение на теле человека от напряжения прикосновения и шага в любых условиях не превосходили безопасных для человека величин. Достигнуть этого можно уменьшением сопротивления заземлителя, выравниванием распределения потенциала заземлителя по поверхности земли вблизи заземленных объектов, а также увеличением сопротивления растеканию тока со ступеней человека в землю путем подсыпки гравия или использованием изолирующих бот и др.

Для заземлителей используются горизонтальные и вертикальные электроды, углубленные на 0,5...1,0 м от поверхности земли. Для горизонтальных заземлителей применяется полосовая сталь шириной 2...4 см и толщиной не менее 0,4 см и круглая сталь не менее 0,6 см. в качестве вертикальных заземлителей применяются стальные трубы, угловая сталь и металлические стержни. На тех участках, где сопротивление верхних слоев почвы велико (сухой песок) и большое влияние сезонных изменений удельного сопротивления грунта, целесообразно применение глубинных вертикальных заземлителей. Длинные вертикальные электроды обеспечивают более пологую кривую распределения потенциала по поверхности земли, но относятся к группе протяженных заземлителей.

Защитное заземление на станциях и подстанциях необходимо выполнять во всех случаях для всех установок переменного и постоянного тока напряжением 500 В и выше. Для рабочих и защитных заземлений установок используется общий заземлитель.

Исследования показывают, что в ряде случаев безопасные напряжения на теле человека могут быть достигнуты при меньшем чем 0,5 Ом значении сопротивления заземления и при меньшем расходе металла. Поэтому в последнее время появились предложения производить расчёт защитного заземления станций и подстанций в сетях с заземленной нейтралью по условию ограничения напряжения на теле человека до допустимой величины при потенциале на заземлителе не выше 10 кВ. Заземления на подстанциях выполняются в виде контура из горизонтальных полос, проложенных на глубине до 0,8 м вокруг территории подстанции, с рядом вертикальных труб или стержней длиной й= 2,5….???3 м и на расстоянии а? ?(2???…3)й ?по периметру контура. Внутри контура в ячейках прокладываются параллельные полосы, к которым присоединяются заземляющие провода от корпусов аппаратов, разрядников, нейтралей трансформаторов, грозозащитных тросов отходящих линий, оболочек кабелей, железнодорожных рельсов, арматура железобетонных фундаментов. Кроме того, на подстанциях с большим током замыкания на землю для уменьшения напряжений шага и прикосновения на повышенной глубине прокладывают дополнительные полосы (козырьки) в местах выхода из подстанции частого нахождения обслуживающего персонала.

Заземление молниеотводов ОРУ в большинстве случаев выполняется путем присоединения их к заземлтмтелю подстанции. Существенного снижения потенциала на корпусах оборудования достигают путем удаления места присоединения к заземлителю корпусов оборудования от места присоединения к нему молниеотвода, например, путем использования для их присоединения разных магистралей. По данным исследований наибольшее снижение потенциала приходится на первые 15???…20 м от места ввода тока и тем более значительно, чем больше размер заземлителя и меньше удельное сопротивление грунта. Согласно Правилам устройства электроустановок опор ВЛ определяются требования грозозащиты линий. Сопротивление заземлителя опор, измеренное при частоте 50 Гц и отсоединенном тросе, в течение грозового сезона не должно превышать значений, приведенных в таблице 6.1

Таблица 6.1 - Сопротивление заземлителя опор

Для линий с металлическими и железобетонными опорами (сгрунта??3000 Ом) допустимые сопротивления заземлителя могут быть обеспечены использованием железобетонных подножников опор, которые являются естественными заземлителями. В противном случае необходимо дополнительное устройство искусственного заземлителя в первую очередь на дне котлована. Для ВЛ на деревянных опорах с тросами или защитными разрядниками нормированная величина сопротивления заземления опор должна обеспечиваться искусственным заземлением. При очень высоких удельных сопротивлениях грунта целесообразно прокладывать от опор к опоре одного или двух непрерывных горизонтальных заземлителей, называемых противовесами.

7. Импульсные испытательные напряжения

Проводимые в научно-исследовательских лабораториях, на заводах-изготовителях и в энергосистемах разнообразные высоковольтные испытания изоляционных конструкций и их элементов можно подразделить на следующие основные группы:

-поисковые исследования с целью выработки технических условий на вновь создаваемое оборудование, например, при освоении нового класса напряжения;

-типовые испытания с целью выявления их соответствия ГОСТам и техническим условиям ;

-контрольные испытания, производимые заводами-изготовителями с целью выявления дефектных изделии;

-профилактические, а также послеремонтные испытания изоляционных конструкций с целью выявления степени пригодности к дальнейшей эксплуатации [3,С.63].

Для исследования электрической прочности изоляции при импульсных напряжениях, имитирующих грозовые перенапряжения, применяются генераторы импульсных напряжений (ГИН). ГИН представляет собой батарею конденсаторов, которые в зарядном режиме включены параллельно, а в разрядном - последовательно. Для коммутации применяются искровые разрядники (обычно шаровые).Принципиальная схема ГИН представлена на рисунке 7.1. Как видно из схемы конденсаторы С заряжаются через защитные R3 и зарядные R зар резисторы от питающей их выпрямительной установки до напряжения U.

Рисунок 7.1 - Принципиальная электрическая схема ГИН

Когда напряжение на конденсаторах достигает напряжения пробоя искровых промежутков (p1, р2….), происходит их пробой. В результате этого конденсаторы оказываются соединенными последовательно через пробитые искровые промежутки. При этом на выходе схемы возникает напряжение, равное сумме напряжений на конденсаторах. Под действием суммарного напряжения пробивается разделительный искровой промежуток Р и напряжение оказывается приложенным к разрядной цепи, состоящей из фронтового и хвостового резисторов, фронтовой емкости и испытуемого объекта (ИО). На выходе схемы формируется волна импульсного напряжения, параметры которой определяются параметрами разрядной цепи.

Для устранения высокочастотных колебаний при разряде включаются демпфирующие резисторы rд =(10?+15) Ом. Фронтовое сопротивление rф и фронтовая емкость Сф влияют на фронт волны, а хвостовое сопротивление Rхв и суммарная емкость генератора ?Сг - на хвосте волны.

Максимальное напряжение на выходе может быть выражено

U2m = nKисп U?

где Кисп - коэффициент использования ГИН;

n - число ступеней.

Возможно получение срезанной волны с помощью срезающего разрядника, устанавливаемого параллельно Сф [3,С.67].

8. Общие требования к молниезащите воздушных линий электропередачи

Линии электропередачи имеют большую длину, часто подвергаются ударам молнии и нуждаются в надежной грозозащите. Как характеристики грозовой деятельности (число грозовых часов или дней в году, число и место ударов молнии в линии, параметры тока молнии) так и характеристики электрической сети (вольт-секундные характеристики изоляции, вероятность перехода импульсного перекрытия в электрическую дугу, ущерб народному хозяйству) имеют случайный характер с большой дисперсией. Эмирические зависимости дают возможность оценить эффективность грозозащиты типовых линий. На основании анализа опыта эксплуатации, лабораторных исследований и расчетов эмпирические формулы уточняются.

Известно, что линии длиной L км, со средней высотой подвеса h м, принимает на себя удары молнии с площади 1 км2 - S=?2*??3hL*?10-?3 .Так как число ударов на 1 км2 на 1 грозовой час равно 0,067, то число поражений линии в год при n грозовых часах в году равно

Перекрытие изоляции линии произойдет в случае, если созданное ударом молнии напряжение превысит импульсную прочность изоляции:

где Pпер - вероятность перекрытия изоляции при ударе молнии, вероятность перехода импульсного перекрытия в силовую дугу з ?также зависит от ряда факторов.

Однако определяющее значение имеет градиент рабочего напряжения вдоль пути перекрытия. Общее число грозовых отключений линии в год

Для сравнения грозоупорности различных линий обычно используется удельное число отключений линий ( nоткл ), т.е. число отключений линии длиной 100 км, проходящей в районе с числом грозовых часов в году n= 30

В настоящее время невозможно с помощью экономически приемлемых средств создать абсолютно грозоупорные линии электропередачи. Задачей грозозащиты линий является уменьшение до экономически целесообразного предела число грозовых отключений т.е. расходы на усиление грозозащитных мероприятий должны быть приведены в соответствие со стоимостью ущерба от грозовых отключений, который зависят от характера потребителя, наличия быстродействующего АПВ, степени резервирования линии.

При ударах молнии в землю у поверхности земли создается значительная напряжённость электрического поля, под действием которой на линии образуется индуктированное напряжение. Они возникают также при ударе молнии в трос или опору. Накладываясь на перенапряжения прямого удара, индуктированные напряжения увеличивают разность потенциалов на проводах. Их надо учитывать при больших токах молнии в тех случаях, когда удар молнии происходит поблизости от изоляции, которая может перекрыться. В общем виде механизм образования индуктированного напряжения представлен на рисунке 8.1

Рисунок 8.1 - Механизм образования индуктированных перенапряжений

Когда заряды лидерного канала (большей частью отрицательные) опускаются по направленно к земле, на проводе появляются связанные (положительные) заряды. Благодаря малой скорости развития лидеров свободные (отрицательные) заряды растекаются по проводу, уходя из зоны влияния лидерного канала. Поле связанных зарядов провода уравновешивается полем лидера, и потенциал провода на этой стадии равен нулю (напряжение промышленной частоты не учитывается). После того как начинается стадия главного разряда поле канала нейтрализуется и связанные заряды освобождаются, обусловливая повышение потенциала провода - индуктированное перенапряжение.

Так как вероятность перекрытия изоляции при прямых ударах молнии гораздо больше, поэтому индуктированные перенапряжения не играют существенной роли для линии 110 кВ и выше [3,С.163].

Рекомендуемые способы грозозащиты линий: Тросы на линии 220 кВ с железобетонными опорами подвешиваются на линейных изоляторах, что позволяет уменьшить токи однофазного К.З., а также использовать тросы дополнительно к их основному назначению для релейной защиты и связи, электроснабжения ремонтных бригад, плавки гололеда. Изоляторы шунтируются искровыми промежутками,которые пробиваются или во время лидерной стадии разряда, или после удара молнии. Дуговое замыкание искровых промежутков переводит тросы в режим заземления. Двухцепные линии могут работать надежно при сопротивлении заземления 10 Ом только при наличии АПВ.

Линии 110 кВ на металлических и железобетонных опорах рекомендуется защищать тросом по всей длине. Эксплуатация одноцепных линий возможна только при наличии АПВ.

Линии 110 кВ на деревянных опорах никакой дополнительной грозозащиты не требуют, за исключением подвески тросов на подходах к подстанциям и установки трубчатых разрядников в начале подхода. Если на линии с деревянными опорами некоторые опоры выполнены металлическими или железобетонными (например, угловые и анкерные опоры; опоры, ограничивающие переход через реки и т.д.), то на этих опорах также должны устанавливаться трубчатые разрядники. Необходимость этого мероприятия вызвана тем, что изоляция этих опор имеет электрическую прочность, гораздо более низкую, чем изоляция деревянных опор, поэтому она будет перекрываться и приводить к отключению линии даже

в тех случаях, когда изоляция деревянных опор останется не перекрытой. Трубчатые разрядники, самостоятельно гася дугу, предупреждают отключение линии.

Линии 35 кВ на металлических опорах обычно не защищаются тросами, поскольку эти линии работают в системе с изолированной нейтралью; такие линии, как было показано выше, имеют относительно небольшое число грозовых отключений, возникающих в результате двухфазных и трехфазных перекрытий.

Линии 35 кВ на деревянных опорах не требуют дополнительных мер грозозащиты. Благодаря меньшим значениям градиента рабочего напряжения вдоль пути перекрытия эти линии имеют даже несколько более высокие показатели, чем линии 110 кВ на деревянных опорах.

Линии 3???10 кВ не требуют особых мероприятий по грозозащите, за исключением установки трубчатых разрядников в местах с ослабленной изоляцией и на подходах к подстанциям. Эти линии выполняются на железобетонных и деревянных опорах. Последние обладают более высокой грозоупорностью за счет использования изоляции дерева. Хотя импульсная электрическая прочность изоляции таких линий сравнительно невысока, однако вероятность перехода импульсных перекрытий в силовую дугу не превышает 0,1. Для защиты опор линий 3...10 кВ, в частности деревянных, от повреждений (расщепления) при грозовых перекрытиях изоляции, применяются защитные металлические спуски, бандажи и скобки [3,С.167].

9. Векторное изображение электрических величин (тока, напряжения, ЭДС)

При изображении вращающихся векторов синусоидальных э.д.с, напряжения и тока на комплексной плоскости ось абсцисс плоскости декартовых координат совмещают с осью действительных или вещественных величин (ось + 1) комплексной плоскости. Тогда мгновенные значения синусоидальных величин получают на оси мнимых величин (ось+j) [5].

Как известно, каждому вектору на комплексной плоскости соответствует определенное комплексное число, которое может быть записано в показательной, тригонометрической или алгебраической форме. Например, э.д.с. Emsm (cot + ц/с) изображенной на рисунке 9.1 вращающимся вектором, соответствует комплексное число.

Рисунок 9.1 - Изображение синусоидальной э.д.с. вращающимся вектором на комплексной плоскости

Фазовый уголь a>t+ у/, определяют по проекциям вектора на оси координат +1

Мнимая составляющая комплексного числа вектора на комплексной плоскости определяет синусоидальное изменение э.д.с. и обозначается символом Im



Комплексное число E j(щt+шe ) удобно представить в виде произведения двух комплексных чисел

Первое комплексное число Em соответствующее положению вектора в начальный момент времени, называют комплексной амплитудой

Второе комплексное число Eш является оператором поворота вектора на угол cat относительно начального положения вектора. Следовательно, мгновенное значение синусоидальной величины равно мнимой части без знака j произведения комплекса амплитуды Ет и оператора вращения

Переход от одной формы записи синусоидальных э.д.с, токов и напряжений к другой осуществляется весьма просто с помощью формулы

Эйлера еjщt - cos +/sin a.

Если, например, комплексная амплитуда напряжения задана в виде комплексного числа в алгебраической форме



(9.8) то, чтобы записать ее в показательной форме, необходимо найти начальную фазу <р „, т.е. угол, который образует вектор Um с осью + 1. В данном случае вектор Um расположен в первом квадранте комплексной плоскости, и его начальная фаза (рисунок 9.2) определяется соотношением

Рассмотрим другой пример, когда комплексная амплитуда тока задана комплексным числом

Вектор комплексной амплитуды тока /т расположен во втором квадранте комплексной плоскости (рисунок 9.3). Начальная фаза этого тока

Если задано мгновенное значение тока в виде синусоиды / = Imsin(o)e + , то комплексную амплитуду записывают сначала показательной форме, а затем, по формуле Эйлера, переходят к алгебраической форме



Рисунок 9.2 - начальная вектора комплексной амплитуды напряжения, расположенного в первом квадранте комплексной плоскости.

Рисунок 9.3 - первая начальная фаза вектора комплексной амплитуды тока, расположенного во втором квадранте комплексной плоскости

Применение комплексных чисел позволяет от геометрического сложения или вычитания векторов на векторной диаграмме перейти к алгебраическому действию над комплексными числами этих векторов. Например, для определения комплексной амплитуды результирующего тока (см. рисунок 9.4) достаточно сложить два комплексных числа, соответствующих комплексным амплитудам токов ветвей

Для определения комплексной амплитуды результирующей э.д.с. (см. рисунок 9.4) достаточно определить разность комплексных чисел, соответствующих комплексным амплитудам э.д.с. Е\т и Е\т.[5].

Изображение синусоидальных величин с помощью векторов

При расчете цепей переменного тока часто приходится производить операции сложения и вычитания токов и напряжений. Когда токи и напряжения заданы аналитически или временными диаграммами, эти операции оказываются весьма громоздкими. Существует метод построения векторных диаграмм, который позволяет значительно упростить действия над синусоидальными величинами. Покажем, что синусоидальная величина может быть изображена вращающимся вектором.

Пусть вектор 1т вращается с постоянной угловой частотой со против часовой стрелки. Начальное положение вектора /т, задано углом у/ (рисунок 9.4.). Проекция вектора 1т на ось у определяется выражением /„, sin (cot + ц/), которое соответствует мгновенному значению переменного тока. Таким образом, временная диаграмма переменного тока является разверткой по времени вертикальной проекции вектора /т, вращающегося со скоростью со .

Изображение синусоидальных величин с помощью векторов дает возможность наглядно показать начальные фазы этих величин и сдвиг фаз между ними.

Рисунок 9.4 - Изображение синусоидального тока вращающимися векторами

На векторных диаграммах длины векторов соответствуют действующим значениям тока, напряжения и ЭДС, так как они пропорциональны амплитудам этих величин.

На рисунке 9.5 показаны векторы Ei и Е2 с начальными фазами ц/i и ц/2 сдвигом фаз



Рисунок 9.5 - Векторная диаграмма синусоидальных Э.Д.С

Совокупность нескольких векторов, соответствующих нулевому моменту времени, называют векторной диаграммой. Необходимо иметь в виду, что на векторной диаграмме векторы изображают токи (напряжения) одинаковой частоты



Ответы на письма в редакцию

Редакция получила письмо от заведующей вузовской библиотекой. В этом письме задан вопрос о применении ГОСТ 7.1-2003, ответ на который, как нам кажется, носит общий характер и будет полезен многим.

Публикуем и письмо, и ответ на него Э.Р. Сукиасяна, главного редактора ББК, члена редколлегии сборника.

Уважаемые коллеги!

В связи с введением в действие с 1.07.04 г. [ГОСТ 7.1-2003] “Библиографическая запись. Библиографическое описание. Общие требования и правила составления” возникают трудности с толкованием его отдельных положений. В частности, в разделе I “Область применения” сказано: “Стандарт распространяется на описание документов, которое составляется библиотеками, органами научно-технической информации, центрами государственной библиографии, издателями, другими библиографирующими учреждениями. Стандарт не распространяется на библиографические ссылки”.

Просим разъяснить, обязательно ли применение [ГОСТ 7.1-2003] при составлении списков в диссертациях, монографиях, методических пособиях, дипломных и курсовых работах.

На поставленный вопрос можно дать очень короткий ответ: да, применение ГОСТ 7.1-2003 при составлении списков литературы в диссертациях, монографиях, методических пособиях, дипломных и курсовых работах обязательно.

Посмотрим последовательно по видам указанных документов, на чем основывается наше утверждение.

Оформление диссертаций на соискание ученой степени кандидата и доктора наук, вне зависимости от специальности, подчиняется общим правила ВАК, с которыми любой аспирант, докторант, соискатель ученой степени может ознакомиться, обратившись к ученому секретарю диссертационного совета. В отношении списков в правилах дана ссылка на ГОСТ 7.1-2003. Как быть со ссылками, на которые ГОСТ 7.1-2003 не распространяется? Об этом скажу ниже.

Применение ГОСТ 7.1-2003 в отношении прикнижных или пристатейных списков в монографиях, методических пособиях, сборниках научных трудов и прочих изданиях, конечно, обязательно, так как в области применения указан “издатель”, иначе говоря -- издательство или издающая организация (например учебное заведение).

Сложнее доказать, что стандарт распространяется на списки литературы в дипломных и курсовых работах, не предназначенных, как известно, для издания, публикации. Прямо об этом в “области применения” не сказано. Говорят: нельзя заставить “частное лицо” применять государственный стандарт. Тем не менее существуют, как минимум, два обстоятельства, в связи с которыми требований стандарта должны придерживаться кафедры учебных заведений.

Первое. У нас пока нет стандартизованного определения библиографирующего учреждения. По смыслу понятно, что оно занимается библиографированием. По ГОСТ 7.76-96, п. 3.1 библиографирование -- процесс подготовки библиографической информации. Давайте подумаем: разве не занимается студент, дипломник подготовкой библиографической информации, когда составляет список литературы к своей курсовой или дипломной работе? Но тогда кафедра условно может считаться “библиографирующим учреждением” и должна обязательно требовать у студентов и дипломников применения ГОСТ 7.1-2003.

Второе. Сегодня -- студент, дипломник. Завтра -- кандидат, доктор наук, автор монографии, составитель учебного пособия, методических рекомендаций. Разве не ясна эта последовательность? Чем раньше специалист узнает, как должна быть оформлена грамотная научная или учебная публикация, как. впрочем, и любая другая, тем лучше для него. Тем меньше времени потратит на его рукопись редактор, для которого стандарт обязателен.

Теперь два слова о ссылках. Библиографические ссылки имеют особую природу, их оформление регламентируется отдельным международным стандартом ИСО 690. Составление библиографических ссылок будет регламентировать специально подготовленный новый нормативный документ, соответствующий международному стандарту. Ждать его нет смысла: надо умело оформлять ссылки.

Обратите внимание: речь идет об оформлении, а не о составлении библиографических ссылок. Давно найден удобный и экономичный прием. К монографии, статье, диссертации, дипломной или курсовой работе составляется нумерованный список литературы, в котором для каждого источника указано количество страниц в соответствии со стандартом. В тексте работы дается в квадратных скобках указание на номер источника и конкретную страницу (или, при необходимости, несколько страниц), например: [67. С. 82-84], при этом в списке под номером 67 может быть указана монография объемом в 387 страниц. Внутритекстовые ссылки к одному и тому же источнику могут даваться многократно. Они экономят место, облегчают набор и форматирование текста.

Заключение

Создание энергетических систем высокого и сверхвысокого напряжения требует решения сложных научно-технических проблем, среди которых можно выделить комплекс вопросов, касающихся электрической изоляции. Этот комплекс вопросов, объединенных единой целью - обеспечить безаварийную работу изоляции всех элементов системы, связан с изучением весьма разнородных физических процессов и относится к электрофизике высоких напряжений.

В нормальных рабочих режимах на изоляцию воздействует фазное напряжение. В переходных режимах, возникающих при включении и отключении элементов сети и коротких замыканиях в установившихся режимах, возникают так называемые внутренние перенапряжения. При грозовых разрядах в сетях возникают атмосферные перенапряжения. Так как возможность нарушения изоляции зависит от состояния самой изоляции, то нельзя указать определенной нижней границы, при которой повышение напряжения становится перенапряжением и, следовательно, термин «перенапряжение» имеет качественный характер.

Для обеспечения нормальной работы электрических систем необходимо применять определенные средства грозозащиты, предотвращающие повреждения изоляции. Известными средствами грозозащиты являются молниеотводы -- надежно заземленные металлические провода или стержни, расположенные вблизи защищаемого объекта. На линии очень высокого напряжения в качестве молниеотводов применяются заземленные провода (тросы), подвешиваемые на опорах выше фазовых проводов. Несмотря на то, что защита тросами резко уменьшает вероятность появления на изоляции перенапряжений, но полностью ее не устраняет. Поэтому, помимо молниеотводов в целях грозозащиты применяются специальные защитные аппараты - разрядники и нелинейные ограничители перенапряжений (ОПН).

В переходных режимах возникают так называемые внутренние перенапряжения. Закон изменения во времени внутренних перенапряжений может быть самым разнообразным, а длительность их изменяется от сотых долей секунды до нескольких секунд. Прочность электрической изоляции, как правило, уменьшается при увеличении длительности воздействия напряжения. Поэтому, одинаковые по амплитуде грозовые и внутренние перенапряжения представляют неодинаковую опасность для изоляции. Таким образом, уровень изоляции нельзя характеризовать одной величиной выдерживаемого напряжения, т.е. другими словами, выбор необходимого уровня изоляции невозможен без тщательного анализа возникающих в системах перенапряжений и наоборот: оценка опасности данного перенапряжения не может быть выяснена без знания основных электрических характеристик изоляции. Необходимо отметить, что в процессе эксплуатации естественно изоляция стареет. Это вызывает снижение уровня изоляции, и она может быть пробита, вызвав тем самым аварию. Для своевременного обнаружения дефектов в изоляции должна быть разработана система эксплуатационных испытаний изоляции, которые называются профилактическими испытаниями.

Список литературы

1. ГОСТ 7.1 - 84 Система стандартов по информации, библиотечному и издательскому делу. Библиографическое описание документа. Общие требования и правила составления. .- Взамен ГОСТ 7.1 - 76; Введ.01.01.86.- М.: Изд-во стандартов, 1984.- 75 с. (Изменения к нему №1 от 28.05.99)

2. ГОСТ 2.105 - 95. Единая система конструкторской документации. Общие требования к текстовым документам. - Взамен ГОСТ 2,105 - 79, ГОСТ 2.906 - 71; введ. 1996 - 07 - 01. - М.: ИПК Изд-во стандартов, 2003. - 26 с.

3. Горелов С.В. Перенапряжения и молниезащита: Учебное пособие / В.Н. Андреев, М.А. Бучельников, С.В. Горелов, В.И. Мухин; Под ред. В.П. Горелова.- 3-е изд., дополн.- Новосибирск: Новосиб. гос. акад. водн. трансп, 2003. - 251 с.

4. Горелов В.П. Композиционные резисторы для энергетического строительства / В.П.Горелов, Г.А.Пугачев.- Новосибирск: Наука. Сиб. отд-ние АН СССР, 1989.- 216 с.

5. Горелов, С.В. Технология конструкционных электротехнических материалов [Текст]: учеб. пособие: в 2 кн. Кн.1 /С.В. Горелов [и др.]; под общ. ред. В.П. Горелова, М.Н.Иванова. - 2-е изд. дополн. - Новосибирск: Новосиб. гос. акад. вод. трансп., 2005. - 354 с.

6. Горелов, П.В. Технология конструкционных электротехнических материалов [Текст]: учеб. пособие: в 2 кн. Кн.2 /П.В. Горелов [и др.]; под ред. В.П. Горелова, Е.В.Ивановой. - 2-е изд., дополн. - Новосибирск: Новосиб. гос. акад. вод. трансп., 2005. - 239 с.

7. Грудинский М.Г. Электротехнический справочник; под ред. П.Г. Грудинского, М.Г. Чиликина (главн. ред.) и др. - изд. 4-е, перабот. - Т2, М.: Энергия, 1972.-816 с.

8. Лихачев Ф.А. Защита от внутренних перенапряжений установок 3-220 кВ: 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Энергия, 1968.-104 с.

9. Пасынков, В.В. Материалы электронной техники: Учебник / В.В. Пасынков, В.С. Сорокин. - 5-е изд., стер. - СПб: Лань, 2003. - 368 с.

10. Пейсахов, А.М. Материаловедение и технология конструкционных материалов: Учебник / А.М. Пейсахов, А.М.Кучер. - СПб: Изд-во Михайлова, 2003. - 407 с.

11. Силенко, В.Н. Электротехнические материалы и их применение на водном транспорте: Учебник. - СПб.: Политехника, 1995. - 335 с.

12. Сукиасян, Э.Р. Ответы на письма в редакцию / Э.Р. Сукиасян // Науч. и техн. б - ки. - 2005. - №6. - с. 85-87.

13. ГОСТ 7.1 - 2003. Библиографическая запись. Библиографическое описание. Общие требования и правила составления. - Взамен ГОСТ 7.1 - 84 [и др.]; введен 2004 - 07 - 01. - М.: ИПК Изд-во стандартов, 2004. - 48 с.

Размещено на Allbest.ru

...