Расчет заземляющего устройства подстанции

Вариант №1

Выполнил: студент курса группы Э- 413

Макаров Ю.А.

Проверил: преподаватель Шкаруба М.В.

Омск

2014 г.

Молниезащита подстанции

Молниезащита ПГВ (рис. 1) включает:

1. Расчет заземляющего устройства подстанции

2. Защита подстанции от прямых ударов молнии

3. Выбор ограничителей перенапряжений

Рис. 1. Типовая понизительная подстанция на 110/6-10 кВ: а − план подстанции; б − разрез

Исходные данные подстанции приведены в табл. 1

Таблица 1 Исходные данные подстанции

Вариант задания
Размер подстанции А, м
Размер подстанции В, м
Ширина ЗРУ, м
Климатическая зона
Низкое напряжение, кВ
Ток замыкания, А
Грунт	Глина
Удельное сопротивление, Ом∙м
Параметры системы трос-опора
Сопротивление опоры, Ом
Длина пролета, м
Сечение троса, мм2
Высота оборудования
Портала, м
Трансформатора, м
ЗРУ, м

Расчет заземляющего устройства подстанции

Цель расчета: изучить назначение, порядок расчета, некоторые особенности монтажа заземляющего устройства подстанции.

Общие сведения

На подстанции необходимы три вида заземлений: защитное, рабочее, молниезащитное.

Защитное заземление необходимо для обеспечения безопасности персонала при обслуживании электроустановки. К защитному заземлению относятся заземления металлических нетоковедущих частей установки (корпусов электрических машин и трансформаторов, каркасов шкафов, распределительных щитов и т.д.), нормально не находящихся под напряжением, но которые могут оказаться под напряжением при повреждении изоляции. Заземление позволяет снизить напряжение прикосновения до безопасного уровня.

Рабочеезаземление предназначено для создания нормальных условий работы электроустановок. К рабочему заземлению относится заземление нейтралей трансформаторов, генераторов, дугогасительных катушек.

Молниезащитное заземление необходимо для обеспечения эффективной защиты электроустановок от грозовых перенапряжений. К молниезащитному заземлению относятся заземления молниеотводов, разрядников, опор линий, тросов, крыш закрытых распределительных устройств.

Для всех трех видов заземлений может использоваться одно и то же заземляющее устройство, но при этом его сопротивление выбирается по наиболее жестким требованиям, т.е. по наименьшей допустимой величине. Причем наименьшую величину обычно имеет защитное сопротивление, поэтому ниже расмотрен расчет защитного сопротивления.

При вычислении периметра заземляющего контура следует учесть, что контур расположен только на открытой части подстанции, поэтому от ширины А надо отступить с каждой стороны по 2 м, а из длины В надо вычесть еще и ширину ЗРУ (рис.2).

Рис. 2. Расчет периметра заземляющего контура для подстанции

Периметр Р =(А₁+В₁)*2=(28+30)*2=116 м, где А₁=34-2-2=30 м,

В₁=40-8-2-2=28 м.

Расчет заземляющего устройства состоит из следующих основных этапов:

Защита подстанции от прямых ударов молнии

Цель раcчета: научиться правильно выполнять защиту подстанций 110/6-10 кВ от прямых ударов молнии.

Общие положения

Открытые распределительные устройства (ОРУ) подстанции 35 – 750 кВ должны быть защищены от прямых ударов молнии стержневыми молниеотводами

В дипломном проекте расчет рекомендуется выполняется по двум методикам.

Первая методика [2]была предложена в ВЭИ на основе обширных лабораторных исследований на моделях, проведенных в 1936−1940 гг. А. А. Акопяном. По этой методике зона защиты одиночного молниеотвода представляет собой «шатер» (рис. 7), 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. 7. Зона защиты одиночного молниеотвода по методике А.А. Акопяна

Радиус зоны защиты одиночного стержневого молниеотвода (рис. 7) на высоте для молниеотводов высотой до 60 м определяется по формуле

(3)

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

Зона защиты двух молниеотводов высотой не более 60 м показана на рис. 8. Граница внешней зоны определяется так же, как и для одиночного молниеотвода, по формуле (3).

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. 8. Зоны защиты двух молниеотводов высотой до 60 м

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

, (4)

где вычисляется по формуле (3).

Зона защиты трех и более молниеотводов значительно превышает сумму защиты одиночных молниеотводов. На рис. 9 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 (3). Ширина внешней зоны защиты для каждых двух молниеотводов определяется по формуле (4).

Рис. 9. Зона защиты трех молниеотводов в горизонтальном сечении на высоте : 1, 2, 3 – молниеотводы

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

, (5)

где D – диаметр окружности, проведенной через три молниеотвода.

Эта методика вошла в «Руководящие указания по расчету зон защиты стержневых и тросовых молниеотводов» [2]. Долгие годы эта методика была основной для расчета зон защиты молниеотводов станций и подстанций.

В 60-e годы была предложена упрощенная методика расчета зоны защиты одиночного молниеотвода, в которой шатер заменен отрезками двух прямых (рис. 10). 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 [11] рекомендуется использовать эту методику для защиты установок электроэнергетики, при этом надежность защиты ее принимается Р ≈ 0,99.

Рис. 10. 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. 11). Эта методика рекомендуется в “Инструкции по устройству молниезащиты зданий и сооружений. РД 34.21.12г. – 87” [4]. Так как защищенность объектов необходимо проверять по третьей методике,то приведем основные расчетные формулы для зоны А (надежность Р≈0,995).

Зона защиты одиночного молниеотвода (рис. 11) зона А имеет следующие размеры:

h_o = 0,85∙h; r_o = (1,1 − 0,002∙h)∙h; r_x = (1,1 − 0,002∙h)∙((h−h_x)/0,85).

Рис. 11. Зона защиты одиночного молниеотвода:

1 – граница зоны защиты на уровне h_x; 2 – то же на уровне земли.

Зона защиты двойного молниеотвода (рис. 12) зона А при L 2h имеет следующие размеры:

h_c = h_o − (0,17+ 3∙10^-4∙h)∙(L−h);

r_c = r_o; r_cx = r_o∙(h_c –h_x)/h_c.

Рис. 12. Зона защиты двойного молниеотвода:

1 – граница зоны защиты на уровне h_x1;

2 − граница зоны защиты на уровне h_x2;

3 – то же на уровне земли.

В 1999 году вышло “Руководство по защите электрических сетей 6-1150кВ от грозовых и внутренних перенапряжений” [10], 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” [12], 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 проектирования рекомендуется расчет выполнять по первой или второй методике (в соответствии с рекомендациями Электротехнического справочника [11]), 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.

Порядок расчета

1. Определить возможность установки молниеотводов на конструкциях.

2. Расставить молниеотводы (подстанцию нужно защитить минимальным числом молниеотводов {для типовой подстанции достаточно четырех}).

3. Площадь подстанции разбить на два треугольника (для каждого треугольника вычисляется Æ описанной окружности D, активная высота h_а и высота молниеотводов h).

4. Проверить защищенность объектов, находящихся за пределами треугольников (по двум методикам) (для этого строятся зоны защиты для двух соседних с объектом молниеотводов на высоте защищаемого объекта, а затем (где нужно) изменяется высота молниеотводов так, чтобы зона защиты проходила рядом с объектом).

5. Заземлить молниеотводы.

В домашнем задании защищается та же подстанция, изображение подстанции на экране монитора приведено на рис.13.

Для типовой подстанции достаточно четырех молниеотводов, для правильного построения зон защиты молниеотводы следует устанавливать в следующей последовательности (рис.14).

Рис. 13. Изображение подстанции на экране монитора:

а) без ремонтной перемычки; б) с ремонтной перемычкой.

(Выбрать одну!)

Рисунок 14. Порядок установки молниеотводов

Наиболее удачная установка молниеотводов указана на рис.15.

Рис. 15. Установка молниеотводов на подстанции 110/6-10 кВ с ЗРУ

После расстановки молниеотводов выбирается и рассчитывается первый треугольник. Через три, указанных молниеотвода будет проведена окружность, вычислен ее диаметр D, определена активная зона молниеотвода h_а. А затем, после ввода высоты самого высокого объекта в этом треугольнике, рассчитывается высота молниеотводов h. Всё оборудование, которое попало в треугольник, надежно защищено. Можно построить зону защиты на высоте порталов

(рис. 16).

Рис. 16. Расчет зон защиты в первом треугольнике

Затем точно также рассчитывается второй треугольник. Если какое-то оборудование оказалось за пределами треугольника, то необходимо для двух соседних молниеотводов построить сечение зоны защиты на высоте этого оборудования h_x. На плане подстанции для этих молниеотводов будут выведены расчетные значения b_x и r_x.

Если молниеотводы расставлены верно, то для подстанции с ЗРУ за пределами треугольника оказывается часть ЗРУ. Необходимо построить зону защиты на высоте ЗРУ и проверить попало ли оно целиком в зону защиты. Если ЗРУ не защищено, то необходимо изменять высоты двух соседних молниеотводов (при правильной расстановке 3 и 4) с шагом 0,5 м, пока ЗРУ не попадет в зону их защиты (для экономии металла нельзя допускать, чтобы зона защиты была намного больше размеров ЗРУ).

Расчет следует выполнять по двум методикам, ЗРУ должно быть защищено по обеим методикам (рис. 17).

Рис. 17. Расчет зон защиты во втором треугольнике

На рис.18 приведены результаты расчета - зоны защиты подстанции на двух высотах (портала и ЗРУ). Этот рисунок приведен на листе дипломного проекта.

Рис. 18. Результаты расчета зон защиты молниеотводов подстанции 110/(6-10) кВ

Молниеотводы присоединяются к заземляющему устройству подстанции (R_З = 0,5 Ом), а также принимаются следующие дополнительные меры:

1.Должно быть обеспечено растекание тока молнии от стойки конструкции с молниеотводом по трем-четырем направлениям с углом не менее 90º между ними (рис. 19).

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

Риc. 19. Снижение импульсного сопротивления молниеотвода

Вывод: Подстанция 110/(6-10) кВ надежно защищена с помощью 4 молниеотводов, установленных на конструкциях подстанции. Расчет выполнен по 2 методикам.

Вариант №1

Выполнил: студент курса группы Э- 413

Макаров Ю.А.

Проверил: преподаватель Шкаруба М.В.

Омск

2014 г.

Молниезащита подстанции

Молниезащита ПГВ (рис. 1) включает:

1. Расчет заземляющего устройства подстанции

2. Защита подстанции от прямых ударов молнии

3. Выбор ограничителей перенапряжений

Рис. 1. Типовая понизительная подстанция на 110/6-10 кВ: а − план подстанции; б − разрез

Исходные данные подстанции приведены в табл. 1

Таблица 1 Исходные данные подстанции

Вариант задания
Размер подстанции А, м
Размер подстанции В, м
Ширина ЗРУ, м
Климатическая зона
Низкое напряжение, кВ
Ток замыкания, А
Грунт	Глина
Удельное сопротивление, Ом∙м
Параметры системы трос-опора
Сопротивление опоры, Ом
Длина пролета, м
Сечение троса, мм2
Высота оборудования
Портала, м
Трансформатора, м
ЗРУ, м

Расчет заземляющего устройства подстанции

Цель расчета: изучить назначение, порядок расчета, некоторые особенности монтажа заземляющего устройства подстанции.

Общие сведения

На подстанции необходимы три вида заземлений: защитное, рабочее, молниезащитное.

Защитное заземление необходимо для обеспечения безопасности персонала при обслуживании электроустановки. К защитному заземлению относятся заземления металлических нетоковедущих частей установки (корпусов электрических машин и трансформаторов, каркасов шкафов, распределительных щитов и т.д.), нормально не находящихся под напряжением, но которые могут оказаться под напряжением при повреждении изоляции. Заземление позволяет снизить напряжение прикосновения до безопасного уровня.

Рабочеезаземление предназначено для создания нормальных условий работы электроустановок. К рабочему заземлению относится заземление нейтралей трансформаторов, генераторов, дугогасительных катушек.

Молниезащитное заземление необходимо для обеспечения эффективной защиты электроустановок от грозовых перенапряжений. К молниезащитному заземлению относятся заземления молниеотводов, разрядников, опор линий, тросов, крыш закрытых распределительных устройств.

Для всех трех видов заземлений может использоваться одно и то же заземляющее устройство, но при этом его сопротивление выбирается по наиболее жестким требованиям, т.е. по наименьшей допустимой величине. Причем наименьшую величину обычно имеет защитное сопротивление, поэтому ниже расмотрен расчет защитного сопротивления.

При вычислении периметра заземляющего контура следует учесть, что контур расположен только на открытой части подстанции, поэтому от ширины А надо отступить с каждой стороны по 2 м, а из длины В надо вычесть еще и ширину ЗРУ (рис.2).

Рис. 2. Расчет периметра заземляющего контура для подстанции

Периметр Р =(А₁+В₁)*2=(28+30)*2=116 м, где А₁=34-2-2=30 м,

В₁=40-8-2-2=28 м.

Расчет заземляющего устройства состоит из следующих основных этапов: