Теоретические положения к выполнению расчета

Открытые распределительные устройства (ОРУ) подстанции 35 – 750 кВ должны быть защищены от прямых ударов молнии стержневыми молниеотводами [8]. Возможны два способа защиты подстанций.

1. Установка молниеотводов на конструкциях и подсоединение их к общему заземляющему устройству подстанции.

2. Установка отдельно стоящих молниеотводов со своими обособленными заземлениями.

Первый способ защиты дешевле [9], так как требует значительно меньше металла на изготовление молниеотводов и заземляющих устройств. По этому способу используется высота конструкций, и молниеотводы получаются меньшей высоты, так как они ближе расположены к защищаемому оборудованию и эффективнее используются их защитные зоны. Однако при поражении такого молниеотвода ударом молнии с большой амплитудой тока и высокой крутизной фронта волны значительно возрастает напряжение на заземленных конструкцииях с молниеотводами. Это может привести к перекрытию изоляции между токоведущими частями и заземленными конструкциями, что снижает надежность этого способа защиты.

Отдельно стоящие молниеотводы с обособленными заземлителями можно установить так, что практически полностью исключаются перекрытия с заземленных молниеотводов на токоведущие части подстанции. Поэтому второй способ защиты оказывается значительно надежнее, но дороже.

При выборе оптимального варианта были определены стоимости молниезащит обоих способов и ущербы, которые возникают при поражении подстанций молнией. На основании проведенных сравнений было установлено, что в большинстве случаев предпочтительнее первый способ защиты, а второй способ следует применять лишь тогда, когда первый не обеспечивает необходимую грозоупорность. В [8] приведены условия установки молниеотводов на конструкциях. Основные положения этих условий следующие.

Защиту от прямых ударов молнии ОРУ 220 кВ и выше необходимо выполнять молниеотводами, устанавливаемыми на конструкциях. Защиту ОРУ 110 кВ можно выполнять на конструкциях при эквивалентном удельном сопротивлении грунта в грозовой сезон Ом×м, а защиту ОРУ 35 кВ – при Ом×м. Но при этом дополнительно от стоек конструкции ОРУ 35 кВ и выше нужно обеспечить растекание тока молнии по магистралям заземления не менее чем в двух направлениях с углом не менее 90º между соседними. Кроме того, должно быть установлено не менее одного вертикального электрода длиной 3-5 м на каждом направлении, на расстоянии не менее длины электрода от места присоединения к магистрали заземления стойки с молниеотводом (рис.4.1).

Молниеотводы можно устанавливать на следующих конструкциях: порталах, опорах линий, прожекторных мачтах, закрытых распределительных устройствах (ЗРУ).

На трансформаторных порталах допускается установка молниеотводов при соблюдении условий установки молниеотводов на конструкциях и выполнении следующих дополнительных условий [8].

1. Удельное сопротивление грунта в грозовой сезон должно быть не более 350 Ом×м.

2. Место присоединения конструкции с молниеотводом к заземляющему устройству должно быть удалено по магистралям заземления от места присоединения к нему бака трансформатора на расстояние не менее 15 м.

3. Непосредственно на выводах обмоток 3 – 35 кВ трансформаторов или на расстоянии не более 5 м от них по ошиновке, включая ответвления к разрядникам, должны быть установлены соответствующие ОПН 3-35 кВ или РВ.

4. Должно быть обеспечено растекание тока молнии от стойки конструкции с молниеотводом по трем-четырем направлениям с углом не менее 90º между ними.

5. На каждом направлении, на расстоянии 3-5 м от стойки молниеотводом, должно быть установлено по одному вертикальному электроду длиной 5 м.

6. Заземляющие проводники РВ или ОПН и силовых трансформаторов рекомендуется присоединять к заземляющему устройству поблизости один от другого.

7. На подстанциях с высшим напряжением 35 кВ сопротивление заземляющего контура не должно превышать 4 Ом, о гирлянды изоляторов на порталах ОРУ 35 кВ следует выполнять на класс напряжения 110 кВ.

Защиту ЗРУ, имеющих металлические покрытия кровли или железобетонные несущие конструкции кровли, следует выполнять заземлением этих конструкций. Для защиты зданий ЗРУ, крыша которых не имеет металлических покрытий и железобетонных конструкций или не может быть заземлена, следует устанавливать стержневые молниеотводы или молниеприемные сетки на крыше зданий. Молниеприемная сетка должна быть выполнена из стальной проволоки диаметром 6-8 мм и иметь шаг ячеек площадью не более 150 м² (например, ячейка 12 х 12 м). Токоотводы от сетки должны быть проложены к заземлителям не реже чем через 25 м по периметру здания [8].

Для установки молниеотвода можно использовать концевую опору линии. Однако при поражении этого молниеотвода молнией, так как сопротивление заземления опоры выше сопротивления подстанции, на опоре возникает недопустимо высокий потенциал, который может привести к перекрытию гирлянды опоры, и на подстанцию приходит импульс высокого напряжения, опасный для изоляции подстанции.

Поэтому у концевых опор с молниеотводами для линии 35 кВ и выше сопротивление заземления опор не должно превышать 10 Ом, гирлянды концевой опоры линии электропередач (ЛЭП) 35 кВ рекомендуется комплектовать из семи-восьми изоляторов.

Тросовые молниеотводы ЛЭП 110 кВ и выше, как правило, следует присоединять к заземленным конструкциям подстанции [8] (обычно присоединяют к порталам). От стоек конструкций ОРУ 110-220 кВ, к которым присоединены тросовые молниеотводы, должны быть выполнены магистрали заземления не менее чем по двум-трем направлениям с углом не менее 90º между ними.

Тросы ЛЭП 35 кВ разрешается присоединять к конструкциям на площадках подстанций с удельным сопротивлением грунта не более 750 Ом×м. От стоек конструкций ОРУ 35 кВ, к которым присоединены тросовые молниеотводы, должны быть выполнены магистрали заземления не менее чем по двум-трем направлениям с углом не менее 90º между ними. На каждом направлении должно быть установлено по одному вертикальному электроду длиной 3-5 м на расстоянии не менее 5 м.

При этом гирлянды изоляторов на порталах ОРУ 35 кВ и концевой опоре должны выполняться из семи изоляторов.

Расстояние по воздуху между конструкциями 35 – 500 кВ, на которых установлены молниеотводы, и токоведущими частями должно быть не менее длины гирлянды.

В случаях, когда какое-то из выше перечисленных требований выполнено не может быть и установка молниеотводов на конструкциях не допускается, следует применять отдельно стоящие молниеотводы с обособленными заземлителями. При этом необходимо соблюдать следующие расстояния. Расстояние в земле между обособленным заземлителем молниеотвода и ближайшей к нему точкой заземляющего контура подстанции определяется по формуле

,

где - импульсное сопротивление заземления отдельно стоящего молниеотвода. Это расстояние должно быть не менее 3 м.

Расстояние по воздуху от отдельно стоящего молниеотвода с обособленным заземлителем до токоведущих и заземленных частей распределительного устройства определяется по формуле

,

где H – высота рассматриваемой точки над землей. Это расстояние должно быть не менее 5 м.

Обособленные заземлители должны иметь сопротивление не более 80 Ом при импульсном токе 60 кА [8]. Однако в [4], с целью безопасности людей, рекомендуется снизить сопротивление обособленного заземлителя до 10 Ом. Обособленное заземлители состоят из небольшого числа вертикальных электродов, объединенных между собой горизонтальной полосовой или круглой сталью [4].

Защитное действие стержневого молниеотвода основано на свойстве молнии поражать наиболее высокие и хорошо заземленные металлические сооружения. Во время лидерной стадии разряда молнии на вершине молниеотвода скапливаются заряды, создающие на ней очень большие напряженности электрического поля. К этой области и направляется канал молнии.

Зоной защиты молниеотвода называется пространство вокруг него, в котором объект защищен от прямых ударом молнии с определенной степенью надежности. Защищаемый объект не поражается молнией, если он целиком входит в зону молниеотвода.

В настоящее время существуют три основные методики определения зон защиты стержневых молниеотводов.

Первая методика была предложена в ВЭИ на основе обширных лабораторных исследований на моделях [17], проведенных в 1936-1940 гг. А.А. Акопяном. По этой методике зона защиты одиночного молниеотвода представляет собой «шатер» (рис. 2.1), по ней можно рассчитывать зоны защиты молниеотводов высотой до 60 м. Объекты, находящиеся на границе этой зоны (h_x), защищены с вероятностью Р≈0,999.

Рис. 2.1. Зона защиты одиночного молниеотвода

по методике А.А. Акопяна

В дальнейшем эта методика была распространена и на молниеотводы высотой от 60 до 250 м. Для них была введена поправка, учитывающая то, что при таких высотах молниеотвода удар молнии не всегда попадает в вершину, поэтому зона защиты представляет «усеченный шатер», в котором верхняя часть молниеотвода Δh не защищена (рис. 2.2).

Рис. 2.2. Зона защиты одиночного молниеотвода высотой от 60 до 250 м

по методике А.А. Акопяна

Эта методика вошла в «Руководящие указания по расчету зон защиты стержневых и тросовых молниеотводов» [9]. Долгие годы эта методика была основной для расчета зон защиты молниеотводов станций и подстанций. Она очень удобна для расчетов, так как позволяет по высоте защищаемого объекта сразу определять высоты 3-4 соседних молниеотводов. Однако, в дальнейшем в результате наблюдений за ударами молнии в реальных условиях, появились сомнения в результатах, полученных А.А. Акопяном на моделях. В первую очередь, это касалось вероятности защиты (Р≈0,999), поэтому и появились новые методики.

В 60-e годы Энергетическом институте имени Г.М. Кржижановского (ЭНИН) была предложена упрощенная методика построения зон защиты одиночного молниеотвода [18, здесь введено понятие первый и второй метод], в которой шатер заменен отрезками двух прямых (рис. 5.3). Эта методика вошла в “Указания по проектированию и устройству молниезащиты зданий и сооружений СН 305-69”, она подробно также изложена в Электротехническом справочнике [18]. Все расчетные формулы первой и второй методики совпадают, поэтому и высоты молниеотводов, полученных по ним, одинаковы. Но она удобна для построения зон защиты двух молниеотводов, так как кривые заменены отрезками прямых. В последнем издании Электротехнического справочника [21] рекомендуется использовать эту методику для защиты установок электроэнергетики, при этом надежность защиты ее принимается Р ≈ 0,99.

Рис. 2.3. Упрощенная методика построения зоны защиты

одиночного молниеотвода

В третьей методике учтено, что вершина молниеотвода не защищена, поэтому зона защиты одиночного молниеотвода высотой до 150 м представляет собой круговой конус высотой h₀<h (рис. 2.4). Эта методика рекомендуется в новой “Инструкции по устройству молниезащиты зданий и сооружений. РД 34.21.12г. – 87” [4]. По этой инструкции выполняется молниезащита взрывоопасных и пожароопасных зданий и сооружений, а также мест массового скопления людей и животных. В зависимости от ущерба, наносимого ударом молнии, устройство молниезащиты имеет I-III категорию и защита должна выполняться зоной А (надежность Р≈0,995) или Б (надежность Р≈0,95). Молниезащита электрической части электростанций, подстанций и линий электропередач ни под одну из этих категорий не подходит, поэтому в предисловии к инструкции сказано, что она на них и не распространяется.

В 1999 году вышло “Руководство по защите электрических сетей 6-1150кВ от грозовых и внутренних перенапряжений” [3], в котором рекомендуется распространить “Инструкцию по устройству молниезащиты зданий и сооружений. РД 34.21.122-87” на расчет молниезащиты станций и подстанций. Причем станции и подстанции до 750 кВ следует защищать молниеотводами с зоной типа А, а напряжением 750 кВ и выше – зоной типа Б.

Однако, в 2003 году приказом Минэнерго России утверждена новая “Инструкция по устройству молниезащиты зданий, сооружений и промышленных коммуникаций” [19], в которой больше нет зон А и Б, надежность защиты изменяется от 0,9 до 0,999, а с какой надежностью следует защищать подстанции не дано (лишь сказано, что надежность защиты “должна быть согласована с органами государственного контроля”). В инструкции также сказано, что “при разработке молниезащиты в случаях, когда требования отраслевых нормативных документов являются более жесткими, чем настоящей Инструкции, то рекомендуется выполнять отраслевые требования”. Поэтому пока этой инструкцией воспользоваться сложно.

В связи с последними изданиями появилась неопределенность в выборе методики расчета молниезащиты подстанции, поэтому при выполнении дипломного проекта рекомендуется расчет выполнять по первой или второй методике (в соответствии с рекомендациями Электротехнического справочника [18]), а в отдельных случаях проверять защищенность объектов по третьей методике (с надежностью Р≈0,995, как было в старой инструкции) и окончательно брать наибольшую из расчетных величин.

Рис .2.4. Зона защиты одиночного молниеотвода по третьей методике

Расчет молниезащиты подстанции выполняется по первой методике, так как она позволяет по высоте самого высокого защищаемого объекта (обычно портала)сразу определять высоты 3-4 соседних молниеотводов (лишь только при построении зон защиты двух молниеотводов для удобства построения кривые заменены отрезками прямых, как и у второй методики). Поэтому рассмотрим первую методику подробнее.

Радиус зоны защиты одиночного стержневого молниеотвода (рис. 2.1) на высоте для молниеотводов высотой до 60 м определяется по формуле [9]

(2.1)

где h – высота молниеотвода, м; - активная высота молниеотвода, м; p – коэффициент для разных высот молниеотводов (p = 1 для для 60 > h >30 м).

Зона защиты двух молниеотводов высотой не более 60 м показана на рис. 2.5. Граница внешней зоны определяется так же, как и для одиночного молниеотвода, по формуле (5.1).

Граница зоны защиты между молниеотводами (в вертикальном сечении) определяется окружностью радиусом R, проходящей через вершины молниеотводов и точку А, расположенную посредине между молниеотводами на высоте:

,

где а – расстояние между молниеотводами, м.

Рис. 2.5. Зоны защиты двух молниеотводов высотой до 60 м

Наименьшая ширина зоны защиты в середине между молниеотводами (на горизонтальном сечении) на высоте определяется по кривым [9] или по приближенной формуле [23]

, (2.2)

где вычисляется по формуле (2.1).

Зона защиты трех и более молниеотводов значительно превышает сумму защиты одиночных молниеотводов. На рис. 5.6 показана зона защиты трех молниеотводов в горизонтальном сечении на уровне . Радиус внешней зоны защиты для каждого молниеотвода определяется так же, как и для одиночного молниеотвода по формуле (2.1). Ширина внешней зоны защиты для каждых двух молниеотводов определяется по формуле (2.2).

Рис. 2.6. Зона защиты трех молниеотводов в горизонтальном сечении на высоте : 1, 2, 3 – молниеотводы

А условие защищенности всей остальной площади, ограниченной треугольником, выражается соотношением

, (2.3)

где D – диаметр окружности, проведенной через три молниеотвода.

Для четырех молниеотводов, лежащих в вершинах прямоугольника (рис. 2.7), при проверке защищенности всей площади на уровне нужно брать диагональ D. При произвольном расположении четырех и более молниеотводов защищаемую площадь нужно разбить на треугольники.

Рис. 2.7. Зона защиты четырех молниеотводов, лежащих в вершинах прямоугольника, в горизонтальном сечении на высоте

Если четырехугольник получается неправильный, то у двух соседних треугольников будут разные высоты молниеотводов. В этом случае при определении зон защиты двух соседних молниеотводов надо учитывать, что они разной высоты. Для получения внутренней зоны защиты между молниеотводами прибегают к введению фиктивного молниеотвода с высотой (рис. 2.8).

Защита подстанции от прямых ударов молнии осуществляется в следующей последовательности.

1. Определить возможность установки молниеотводов на конструкциях [8].

2. Намечаются места установки молниеотводов (подстанцию нужно защитить минимальным числом молниеотводов с активной высотой = 3 – 10 м).

3. Площадь подстанции разбивается на треугольники или четырехугольники, определяются активная высота (формула (2.3)) и высота молниеотводов.

4. Проверяется защищенность объектов, находящихся за пределами треугольников или четырехугольников (строятся зоны защиты по формулам (2.1) и (5.2)). Если какой-либо объект не попал в зону защиты, то увеличивается число молниеотводов или их высота (Проверку рекомендуется выполнять по первой и третьей методике).

5. Рассчитывается заземляющее устройство молниеотводов.

Рис. 2.8. Зона защиты двух молниеотводов разной высоты на уровне h_x