Защита подстанций от прямых ударов молний

Цель работы: научиться правильно выполнять защиту подстанций 35 – 110 кВ от прямых ударов молнии.

Открытые распределительные устройства (ОРУ) подстанции 35 – 500 кВ должны быть защищены от прямых ударов молнии стержневыми молниеотводами. 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, 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 конструкциях 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 молниезащиты 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 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. При этом от стоек конструкции ОРУ 35 кВ с молниеотводами должно быть обеспечено растекание тока молнии по магистралям заземления в трех – четырех направлениях и установлены два – три вертикальных электрода длиной 3 – 5 м на расстоянии не менее длины электрода. А от стоек конструкций ОРУ 110 кВ нужно обеспечить растекание тока не менее чем в двух – трех направлениях и установить один - два вертикальных электрода длиной 3 – 5 м.

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.

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 вентильные разрядники.

4. 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 не менее 6 мм и иметь шаг ячеек не более 6 х 6 м. Токоотводы от сетки должны быть проложены к заземлителям не реже чем через 25 м по периметру здания.

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 восьми изоляторов.

Тросовые молниеотводы ЛЭП 110 кВ и выше, как правило, следует присоединять к заземленным конструкциям подстанции (обычно присоединяют к порталам). От стоек конструкций ОРУ 110 кВ, к которым присоединены тросовые молниеотводы, должно быть обеспечено растекание молнии по магистралям заземления не менее чем в двух – трех направлениях. Тросы ЛЭП 35 кВ разрешается присоединять к конструкциям на площадках подстанций с удельным сопротивлением грунта не более 750 Ом×м и при условии установки молниеотводов на конструкциях. 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.

На подстанциях с жесткой ошиновкой (рис. 1) для установки молниеотводов можно использовать только линейные порталы, других конструкций, где допускается установка молниеотводов, как правило, больше нет. В этом случае приходится дополнительно ставить отдельно стоящие молниеотводы. Эти молниеотводы могут быть присоединены к заземляющему контуру при соблюдении условий установки молниеотводов на конструкциях. Расстояние по воздуху от отдельно стоящего молниеотвода до токоведущих частей должно составлять

,

где H – высота токоведущих частей над уровнем земли, м; m – длина гирлянды изоляторов, м.

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. Однако, 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.

Расположенные на территории подстанции здания (электролизной, маслохозяйства, синхронных компенсаторов), резервуары с горючими газами и жидкостями и т.д. должны быть защищены от прямых ударов молнии в соответствии с «Инструкцией по устройству молниезащиты зданий и сооружений».

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 ударов 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, проведенных в 1936-1940 гг. А.А. Акопяном. По этой методике зона защиты одиночного молниеотвода представляет собой «шатер» (рис. 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. 1. Зона защиты одиночного молниеотводапо 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).

Эта методика вошла в «Руководящие указания по расчету зон защиты стержневых и тросовых молниеотводов».

Рис. 2. Зона защиты одиночного молниеотвода высотой от 60 до 250 м

по методике А.А. Акопяна

В последние годы была предложена упрощенная методика расчета зоны защиты одиночного молниеотвода, в которой шатер заменен отрезками двух прямых (рис. 3). Однако в нормативные документы она не вошла.

Рис. 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. 4).

Рис. 4. Зона защиты одиночного молниеотвода по третьей методике

Расчет молниезащиты подстанции выполняется по первой методике, поэтому рассмотрим ее подробнее.

Радиус зоны защиты одиночного стержневого молниеотвода (рис.1) на высоте для молниеотводов высотой до 60 м определяется по формуле

(5)

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. 5. Граница внешней зоны определяется так же, как и для одиночного молниеотвода, по формуле (5). 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. 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 или по приближенной формуле

, (6)

где вычисляется по формуле (5).

Рис. 6. Зона защиты трех молниеотводов в горизонтальном сечении на высоте : 1, 2, 3 – молниеотводы

Зона защиты трех и более молниеотводов значительно превышает сумму защиты одиночных молниеотводов. На рис. 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 (5). Ширина внешней зоны защиты для каждых двух молниеотводов определяется по формуле (6). А условие защищенности всей остальной площади, ограниченной треугольником, выражается соотношением:

, (7)

где D – диаметр окружности, проведенной через три молниеотвода.

Рис. 7. Зона защиты четырех молниеотводов, лежащих в вершинах прямоугольника, в горизонтальном сечении на высоте .

Для четырех молниеотводов, лежащих в вершинах прямоугольника (рис. 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.

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. 8)

Рис. 8. Зона защиты двух молниеотводов разной высоты на уровне h_x

Защита подстанции от прямых ударов молнии осуществляется в следующей последовательности.

1. Определить возможность установки молниеотводов на конструкциях.

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 (7)) и высота молниеотводов.

4. Проверяется защищенность объектов, находящихся за пределами треугольников или четырехугольников (строятся зоны защиты по формулам (5) и (6)). Если какой-либо объект не попал в зону защиты, то увеличивается число молниеотводов или их высота.

После выполнения работы необходимо составить отчет, который должен содержать:

а) название и цель работы;

б) исходные данные подстанции 35/6-10 кВ, порядок расчета молниезащиты и план подстанции с нанесенными зонами защиты;

в) исходные данные подстанции 110/6-10 кВ, порядок расчета молниезащиты и план подстанции с нанесенными зонами защиты;

г) вывод по работе.