Проектирование грозозащиты

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Попадание молнии в высоковольтную сеть и открытые распределительные устройства влечет за собой разрушительные последствия: пожар на подстанции, выход из строя линии, обесточивание зданий. Поэтому грозозащита подобных сооружений - одна из важнейших задач, стоящих перед компаниями энергетического сектора.

Для проектирования систем молниезащиты электрической подстанции 220/110/10 кВ необходимо выбрать тип, количество и расположение молниеотводов, рассчитать их зоны защиты. Затем произвести расчет сопротивлений заземлений молниеотводов и произвести оценку эффективности защиты ОРУ подстанции от прямого удара молнии.



1. Виды громоотводов и их особенности

В общем случае можно выделить следующие виды громоотводов, применяемых на практике:

- стержневые;

- тросовые;

- сетчатые;

- активные.

Стержневые молниеотводы (рисунок 1 а, б) - наиболее распрос-траненные, благодаря низкой стоимости и простому устройству, но оттого не менее эффективные Стержневой молниеотвод, как следует из названия, представляет собой устройство, состоящее из молниеприемника, токопровода и заземлителя. Расположенный значительно выше остальных конструкционных элементов сооружения, как минимум на 3 метра (ПУЭ), он и принимает на себя удар молнии.Они устанавливаются на прожекторных опорах, стальных порталах (за исключением трансформаторных), крышах близлежащих зданий. Когда монтаж молниеотводов на конструкциях открытых энергоустановок невозможен, используются отдельно стоящие устройства.

Тросовые молниеотводы (рисунок 1 в) обеспечивают защиту протяженных объектов типа длинных строений или высоковольтных ЛЭП. Основой тросового молниеотвода, как это следует из названия, составляет оцинкованный металлический (как правило, используется сталь) трос. При этом рекомендуется, чтобы площадь его сечения равнялась не меньше 35 кв. мм.

Сетчатым молниеотводам (рисунок 1 г), обладающим наибольшей эффективностью, отдают предпочтение в случае защиты особо важных объектов. Стоимость сетчатого громоотвода весьма высока. Поэтому, несмотря на высокую степень защиты, такие устройства применяются крайне редко, когда молниезащита имеет особое значение. Тросовые и стержневые системы примерно равнозначны по эффективности, но из-за простоты в обслуживании и небольшой разницы в стоимости последние имеют приоритет в применении.

Отдельным видом молниеотводов является активные системы молниезащиты. Внешне они практически ничем не отличаются от стержневых устройств.

Разница лишь в том, что в молниеприемник (самый кончик) встраивается электронное устройство, способствующее генерации высоковольтных импульсов во время грозы. Создавая такую «приманку» для молнии, активные системы в буквальном смысле ловят ее. Устройство такого типа принято считать самыми эффективными.

Когда распределительные устройства находятся внутри объекта, они оснащаются только защитным контуром для предотвращения перенапряжения. Внешнюю защиту обеспечивает само здание. Все три элемента - молниеотвод, защитный контур и заземление - требуются только в случаях, если подстанция представляет собой отдельностоящее сооружение.

Рисунок 1 Базовые схемы молниеотводов: стержневой (а, б), тросовый (в) и сетчатый (г)



2. Требования к молниезащите подстанции

Молниезащита подстанции должна выполнятся в соответствии с требованиями ПУЭ и других руководящих документов.

Защита электрической подстанции выполняется с помощью стержневых и тросовых молниеотводов, подключенных к заземляющему устройству. молниеотвод подстанция защита заземляющий

Защитное действие молниеотводов основано на избирательном свойстве молнии поражать более высокие и хорошо заземленные объекты по сравнению с расположенными рядом сооружениями меньшей высоты.

Назначение молниеотводов - воспринять подавляющее число ударов молнии в пределах защищаемой территории и отвести ток молнии в землю.

От прямых ударов молнии на данной подстанции должны быть защищены:

- ОРУ, в том числе шинные мосты и гибкие связи,

- ОПУ,

- ЗРУ,

- маслосборник,

- компрессорная,

- токоограничивающие реакторы 10 кВ,

- силовые трансформаторы 220/110/10 кВ.

Все компоненты молниеотвода должны иметь антикоррозийное покрытие, в качестве которого обычно применяется оцинковка. Количество устройств на одном сооружении, а также их эффективность и зоны защиты определяются при соответствующих расчетах. Таким образом, обеспечивается защита подстанций от прямых ударов молнии при помощи стержневых молниеотводов.

Защита от индуцированных волн

Молниезащита подстанции при непрямом попадании молнии обеспечивается специальными аппаратами, которые обеспечивают защиту от импульсного перенапряжения.

Учитывая то, что заранее неизвестно, куда попадет молния, все входы и выходы подстанции оснащаются либо разрядниками, либо более совершенными ограничителями перенапряжения (ОПН).

Принцип действия искрового разрядника основан на образовании дуги между двумя стержневыми электродами, один из которых заземлен, а второй соединен с фазным проводом.

Они разделены защитным промежутком. При пробое последнего (появлении искры) вся электроустановка отключается, обеспечивая ее молниезащиту.

В случае возникновения перенапряжения пробиваются и образуется дуга, высокая температура которой запускает газогенератор. Под давлением газ перемещается к открытому концу трубки, чего оказывается достаточно для задувания дуги.

Еще более продвинутым устройством молниезащиты от индуцированных волн является разрядник вентильного типа. Кроме промежутков для искрообразования, в его состав входит герметичная фарфоровая покрышка и резисторы с нелинейной вольт-амперной характеристикой (ВАХ).

Стоит отметить, что согласно ПУЭ имеются ограничения на максимальное расстояние от разрядника до трансформаторов подстанции, колеблющееся от 60 до 90 м, в зависимости от типа опор ВЛ.

Разрядники для обеспечения молниезащиты подстанций применяют все реже. Более совершенные устройства постепенно занимают их нишу. Основными их преимуществами является отсутствие искровых промежутков, малые размеры, глубокое ограничение перенапряжений.

Принцип действия ОПН предельно прост. Варистор (нелинейный резистор) ведет себя как сопротивление до достижения порогового напряжения. Превышение этой величины приводит к тому, что прибор поддерживает напряжение на заданном уровне за счет ответвления части тока на землю.

Все здания и сооружения, находящиеся на территории подстанции, должны быть защищены от прямых ударов молний с помощью молниеотводов или другими способами.

2.1 Требования к конструкции и монтажу молниеприемника

Молниеприемник изготавливается из стали. Для того чтобы выдерживать термические нагрузки при протекании тока, а также высокую температуру самой молнии, согласно ПУЭ его диаметр должен быть более 6 мм. Соединение молниеприемника с токопроводом необходимо производить путем их сваривания.

Если это невозможно, то допустимо резьбовое соединение болтом и гайкой. Диаметр шайб в этом случае должен быть увеличен. Во избежание падения и нанесения по этой причине ущерба, устройство должно быть прочно закреплено на опоре или другой несущей конструкции.

Молниеприемники обычно закрепляют на уже имеющихся металлических конструкциях. Это могут быть прожекторные мачты, крыши высотных зданий, высокие точки на входе в подстанцию.

Исключение составляют трансформаторные подстанции. На них приемники молний для молниезащиты не устанавливают. Если же такая необходимость возникает, то обмотки с низшим напряжением защищают вентильными разрядниками.

Сразу следует оговориться, что требования ПУЭ предусматривают выполнение соединений между всеми частями молниеотвода исключительно сваркой. Если это невозможно, допускается резьбовое соединение болтами и гайками.

Площадь шайб, применяемых при резьбовом соединении, должна быть увеличена. Не допускается производить монтаж элементов системы скруткой проводов или какими-либо другими методами.

Разумеется, высоту молниеприемника, в основном определяющую его эффективность, необходимо максимизировать. Согласно инструкции РД, для обеспечения надежной защиты надо поднять громоотвод минимум на 3 м над поверхностью сооружения. Это касается стержневых устройств.

Высота прокладки тросового молниеотвода зависит от длины и высоты здания, конструкции заземлителя и удельного сопротивления грунта, может составлять 3-4 м. Для монтажа троса рекомендуется укреплять деревянные опоры на обоих коньках здания, а между ними натягивать тросовый громоотвод, если речь идет о коньковых крышах.

Конструктивные особенности сеточных громоотводов позволяют крепить такие устройства значительно ниже. В зависимости от шага сетки они могут быть расположены в десятке или нескольких десятках сантиметров от плоской кровли. Сетка с ячейками 6х6 см может быть уложена непосредственно на поверхность крыши или даже под слой утеплителя, если он не горюч.

Спуск от молниеотвода к заземлителю прокладывается по кровле и стенам построек и конструкций, располагается максимально далеко от токоведущих частей. Количество громоотводов, как и их высота, определяется высотой зданий и размерами электроустановки.

2.2 Требования к токоотводу

Токопровод (токоотвод) это не менее важный элемент молниеотвода, чем молниеприемник или заземляющее устройство. Если молниеприемник должен иметь площадь поперечного сечения, равную 100 мм2 (пруток диаметром 12 мм), токоотвод, не испытывающий термической и ударной нагрузки, не может иметь диаметр менее 6 мм (ПУЭ).

Увеличенное сечение токоотвода, принимая во внимание возможную величину протекающего по нему тока, только приветствуется.

Спуск от молниеотвода к заземлителю прокладывается по кровле и стенам построек и конструкций, располагается максимально далеко от токоведущих частей. Количество громоотводов, как и их высота, определяется высотой зданий и размерами электроустановки.

Токоотвод соединяется он с заземлителем - одной из наиважнейших частей молниезащиты. В качестве заземлителя в целях экономии используется одно заземляющее устройство ЗУ, которое отвечает наиболее жестким требованиям следующих видов заземления:

- заземление молниезащиты;

- рабочее заземление (трансформаторы, генераторы и прочее оборудование);

- защитное заземление, обеспечивающее безопасность людей.

2.3 Требованя к заземлителю

Заземляющее устройство молниезащиты на подстанциях выполняют горизонтально размещенными в грунте полосами, которые соединяются с вертикальными электродами, идущими к токоотводу. Все металлические части подстанции, включая корпуса баков, выключателей и прочего, должны иметь контакт с заземлением. Только в этом случае гарантирована надежная молниезащита.

Сети с напряжением от 110 кВт делают с глухозаземленной нейтралью, а подстанции на 35 кВ и ниже заземляют через дугогасящий реактор.

Заземлитель

Заземляющее устройство молниеотвода чаще всего соединяется с заземляющим контуром всего здания. В случае стоящего отдельно устройства молниезащиты в качестве ЗУ используются металлические штыри, забиваемые или закапываемые в грунт.

Для улучшения проводимости иногда эти штыри объединяют в группы, сваривая из них конструкции прямоугольной формы при помощи стальной полосы. Но в любом случае требования ПУЭ регламентируют сопротивление между ЗУ и землей, которое не должно превышать 40 Ом при удельном сопротивлении почвы 1 кОм*м.

Все элементы молниеотвода должны быть надежно защищены от коррозионных разрушений. Наилучший вариант доиться этого состоит в использовании для элементов системы оцинкованной стали.

Заземление распределительных устройств визуально представляет собой сетку: горизонтальные шины, проложенные в земле и соединенные между собой вертикальными электродами. К контуру заземления подключаются все токопроводящие металлоконструкции.

Если номинальное напряжение сети составляет от 110 кВ, а функционирует она с глухо заземленной нейтралью, ток короткого замыкания, передаваемый на грунт, увеличивается. Из-за этого на сопротивлении заземления нередко образуется высокий, представляющий опасность для жизни человека, потенциал. Поэтому стационарное напряжение для таких установок может составлять не более 0,5 Ом.

Заземляющее устройство, выполняемое с соблюдением требований к его сопротивлению, должно иметь в любое время года сопротивление не более 0,5 Ом, включая сопротивление естественных заземлителей.

В целях выравнивания электрического потенциала и обеспечения присоединения электрооборудования к заземлителю на территории, занятой электрооборудованием, прокладываются продольные и поперечные горизонтальные заземлители, соединенные между собой и образующие сетку. Горизонтальные заземлители проложены по краю территории, занимаемой заземляющим устройством, так, чтобы они в совокупности образовывают замкнутый контур.

Выбираем стальные полосные горизонтальные заземлители 25х4 мм. Вертикальные заземлители выполняем из уголка 50 мм.

Продольные заземлители проложены вдоль осей оборудования со стороны обслуживания на глубине 0,7 м от поверхности земли на расстоянии одного метра от фундамента оборудования.

Поперечные заземлители проложены в удобных местах между оборудованием на глубине 0,7 м от поверхности земли. Размеры ячеек заземляющей сетки, примыкающие к местам присоединения нейтралей силовых трансформаторов к заземляющему устройству, не превышают 2м.

По рекомендациям внешнюю ограду подстанции не присоединяем к заземляющему устройству. Расстояние от ограды до заземляющего устройства подстанции должно быть не менее 2 метров.

Заземлитель молниеотвода состоит из естественного и искусственного заземлителей. Естественным заземлителем является фундамент молниеотвода, а искусственный заземлитель выполняем в виде коротких горизонтальных лучей с вертикальными электродами.

Для расчета определяют эквивалентное сопротивление грунта, как вертикального заземлителя. При расчете неоднородный грунт представляется двухслойной моделью. Толщина первого слоя принимается равной длине заглубленной части опоры.

В общем случае эквивалентное сопротивление первого слоя определяется путем усреднения проводимости слоев грунта, входящих в первый слой, также необходимо учесть сезонные изменения, в результате которых удельное сопротивление слоя сезонных изменений грунта для летнего периода времени увеличится на 1.4.



3. Выбор мест установки и расчет зон защиты стержневых молниеотводов для подстанции

Зоны защиты

Схема зоны защиты одного отдельно стоящего стержневого молниеотвода представляет собой большой конус. Для громоотводов, не превышающих высоты 150 м, принимаются следующие габаритные размеры устройства:

- для зоны, находящейся на уровне земли h0 = 0,85h; r0 = (1,1 - 0,002h)h; rx = (1,1 - 0,002h)(h - hx/0,85);

- для зоны на уровне крыши, например: h0 = 0,92h; r0 = 1,5h; rx = h - 1,5(hx/0,92);

где h - высота молниеотвода; h0 - некоторая высота (обычно уровень крыши); rx - диаметр основания конуса на высоте h0.

Определившись с условными габаритами, можно использовать формулу 1:

h = (rx + 1,63hx)/1,5 (1)

для вычисления требуемых параметров. Если, например, известны rx и hx (требуемый радиус зоны защиты и заданная высота этой зоны), можно вычислить высоту одиночного стержневого молниеотвода, требуемую для надежной защиты h.

И, наоборот, при известных h и hx легко вычисляется радиус зоны rx и, сравнивая его с необходимым, делается заключение об эффективности устройства молниезащиты.

Зоной защиты принято называть пространство вокруг молниеотвода, попадание в которое разрядов молнии маловероятно. Рассчитываемая подстанция защищается четырьмя стержневыми молниеотводами, зона защиты которых превышает сумму зон защиты одиночных или двойных молниеотводов.

Необходимым условием защищенности всей площади, заключенной вокруг прямоугольника 1-2-3-4 (рисунок 2) является: D_a·p, где D - диаметр окружности, проходящей через вершины четырехугольника, D=25 м (из рисунка 2); h_а - активная высота молниеотвода; р - коэффициент, равный 1 для молниеотводов с высотой .

Из вышеприведенной формулы 1 можно определить величину h_а:

(2)

Высота защищаемого объекта над поверхностью земли:

, (3)

где h_м - высота молниеотвода, м.

Радиус зоны защиты одиночного молниеотвода на высоте h_х:

(4)

Определяют ширину зоны защиты на высоте h_х, при этом рассматривают каждую пару молниеотводов отдельно:

, (5)

где а - расстояние между молниеотводами, м



Рисунок 2 Зона защиты молниеотводов на уровне минимальной высоты зоны защиты



4. Выбор конструкции заземления опор, обеспечивающей нормированное значение сопротивления заземления

громоотвод молниеприемник заземление сопротивление

Определение удельное сопротивление грунта:

(6)

где: к_с - сезонный коэффициент; _изм - измеренное значение удельного сопротивления грунта.

Для расчета сопротивления заземления на переменном напряжении используется выражение:

, (7)

где l - длина трубы заземления; d - диаметр трубы заземления; t - глубина залегания заземления (рисунок 3).

При этом нормированное значение сопротивления заземлителя при удельном сопротивлении грунта _изм не должно превышать 15Ом.

Рисунок 3 Эскиз заземлителя

Импульсное сопротивление заземлителя:



, (8)

где n - количество лучей заземлителя; б_и - импульсный коэффициент заземлителя; з_и - коэффициент использования заземлителя.



5. Эффективность грозозащиты подстанции от волн перенапряжений, набегающих с линии

Опасные импульсы перенапряжений, набегающие на подстанцию с воздушной линии, могут возникать в результате прорыва молнии через тросовую защиту и при обратных перекрытиях при ударе молнии в опоры или тросы в пределах защитного подхода. Среднее годовое число перекрытий изоляции подстанции вследствие набегания на нее опасных импульсов грозовых перенапряжений определяется:

= ^/+^//+^///, (9)

где ^/ - среднее годовое число перекрытий изоляции вследствие прорыва молнии через тросовую защиту; ^// - среднее годовое число перекрытий изоляции вследствие обратных перекрытий при ударах молнии в опору; ^/// - среднее годовое число перекрытий изоляции вследствие обратных перекрытий при прямом ударе молнии в трос.

Определяют среднее годовое число перекрытий изоляции вследствие прорыва молнии через тросовую защиту:

, (10)

где N_п - число ударов молнии в трос в пределах защитного подхода; Р_б - вероятность прорыва молнии через тросовую защиту.

Вероятность прорыва молнии через тросовую защиту:

, (11)

где б - защитный угол троса; А=90, В=4 - для линий напряжением 110-220кВ.

Число ударов молнии в трос в пределах защитного подхода:

, (12)

где h_сртр - средняя высота подвеса троса; l_зп - длина защитного подхода; D_г - число грозовых часов в году.



Заключение

Для того, что бы от попадании молнии на подстанциях не было таких разрушительных последствии, как пожар, выход из строя линии, обесточивание зданий, осуществляется проектирование молниезащиты на подстанциях и открытых распределительных устройствах.

Следует особо отметить, что разрушение происходит не только в зоне прямого разряда, но и на расстоянии нескольких километров, поскольку энергия разряда огромна, а также импульс перенапряжения, который передается по коммуникациям (линиям электропередач) в здание. Таким образом, наличие систем молниезащиты электрических подстанциях является обязательным условием для современных стран, производителей и граждан.



Список использованных источников

1. Кузнецов Ю.И. Методические пособия к курсовой работе по курсу «Перенапряжения и грозозащита». Изд.:ТПУ, 2003

2. Бажанов С.А., Воскресенский В.Ф. Профилактические испытания оборудования высокого напряжения. Изд. М: Энергия 1977. 288 с.

3. Инструкция по устройству молниезащиты зданий, сооружений. РД 34.21.122-87. М.: Энергоатомиздат, 1989. 56 с.

4. Инструкция по устройству молниезащиты зданий, сооружений и промышленных коммуникаций. СПб.: Изд-во ЛиТТех, 2004. 48 с.

5. Рябкова, Е.Я. Заземления в установках высокого напряжения /Н.Я. Рябкова. М.: Энергия, 1978. 225 с.

6. Правила устройства электроустановок / Главгосэнергонадзор Рос-сии. 6-е изд. М.: Энергосервис 1998, 608 с.

Размещено на Allbest.ru

...