Поиск по сайту
Начало >> Книги >> Оборудование >> Защита электростанций и подстанций 3-500 кВ от прямых ударов молнии

Конструкции и заземление молниеотводов - Защита электростанций и подстанций 3-500 кВ от прямых ударов молнии

Оглавление
Защита электростанций и подстанций 3-500 кВ от прямых ударов молнии
Молния - источник грозовых перенапряжений
Защитные зоны молниеотводов
Конструкции и заземление молниеотводов
Защита электростанций и подстанций от прямых ударов молнии
Эксплуатация устройств защиты от прямых ударов молнии
Список литературы

Молниеотводы состоят из четырех конструктивных элементов: молниеприемника 1, несущей конструкции 2, токоотвода 3 и заземлителя 4 (рис. 36). Молниеприемник непосредственно воспринимает прямой удар молнии. Поэтому он должен надежно противостоять механическим и тепловым воздействиям тока и высокотемпературного канала молнии. Несущая конструкция несет на себе молниеприемник и токоотвод, объединяет все элементы молниеотвода в единую, жесткую, механически прочную конструкцию. В электроустановках молниеотводы устанавливаются вблизи токоведущих частей, находящихся под рабочим напряжением. Падение молниеотвода на токоведущие элементы электроустановки вызывает тяжелую аварию. Поэтому несущая конструкция молниеотвода должна иметь высокую механическую прочность, которая исключила бы в эксплуатации случаи падения молниеотвода на оборудование электростанций и подстанций.
Токоотвод соединяет молниеприемник с заземлителем и предназначен для пропускания тока молнии от молниеприемника к заземлителю. Поэтому он рассчитывается на тепловые и электродинамические воздействия, связанные с прохождением по нему тока молнии. Заземлитель молниеотвода служит для отвода тока молнии от молниеприемника с токоотводом в землю и снижения потенциала элементов молниеотвода. В электроустановках заземлитель определяет эффективность и надежность защиты, состоящей из молниеотводов. Заземлители молниеотводов работают в различных условиях: в сухом грунте или при постоянном воздействии влаги с растворенными в ней различными солями и кислотами, содержащимися в грунте, которые определяют в основном электропроводность земли. Но эти же растворы создают условия для быстрой коррозии металла. Поэтому при выборе конструкции и материала заземлителя учитываются условия, в которых он должен работать.

Конструкции молниеотводов.

В энергетике получили широкое распространение конструкции молниеотводов с деревянными, железобетонными и металлическими опорами. Стержневые молниеотводы на деревянных опорах применяются в электроустановках средних номинальных напряжений: на подстанциях 35 кВ и в установках защиты вращающихся машин 3—20 кВ. Они выполняются отдельно стоящими с деревянной стойкой опоры 1 и железобетонными приставками 2, высотой до 20—25 м.
На рис. 37 показаны типовые конструкции отдельно стоящих молниеотводов с деревянными опорами, разработанные Сельэнергопроектом [2].
У молниеотводов высотой 12 м и более деревянные стойки опоры составные (рис. 37, узел /). Стойки выполняются из сосны, ели, лиственницы и пихты с минимальным диаметром в верхнем отрубе 120 мм. Для предохранения от загнивания их древесина обрабатывается антисептирующими составами. Лиственница зимней рубки может применяться без обработки.

Стержневой отдельно стоящий молниеотвод
Рис. 36. Стержневой отдельно стоящий молниеотвод

Молниеотводы на деревянных опорах с железобетонными приставками

Рис. 37. Молниеотводы на деревянных опорах с железобетонными приставками (с) и узлы их конструкции (С):
1 деревянные стойки; 2 - железобетонные приставки; 3 — молниеприемники


Молниеприемники 3 изготавливаются из прокатной стали любого профиля сечением не менее 100 мм2, при длине (от верхней точки закрепления до его верха) не более 2—2,5 м. Если молниеприемник выполняется из труб, верхний конец его заваривается или закрывается металлической пробкой. Крепление трубчатого молниеприемника к деревянной стойке молниеотвода показано на рис. 38. Молниеприемники для предохранения от коррозии следует оцинковывать или красить.
Токоотводы у молниеотводов с деревянными опорами изготавливаются различного профиля с сечением, рассчитанным для прохождения полного тока молнии. Рекомендуется круглую сталь брать диаметром не менее 6 мм, угловую сталь в виде полосы сечением не менее 48 мм2, толщиной 4 мм.
Токоотводы прокладываются по деревянным стойкам опор и прикрепляются к ним посредством скоб.
Соединение отдельных частей токоотвода между собой, с молниеприемником и с заземлителем производится при помощи сварки. Для предохранения от коррозии токоотводы окрашиваются.
Ранее применяемые для молниеотводов на деревянных опорах деревянные приставки, как показал опыт эксплуатации, быстро загнивают, особенно в песчаных и суглинистых грунтах. Поэтому применение железобетонных приставок для молниеотводов с деревянными опорами дает положительный эксплуатационный эффект. В последнее время рекомендуется молниеотводы с деревянными опорами устанавливать на железобетонных приставках. Указанные молниеотводы высотой до 12 м устанавливаются с одной железобетонной приставкой, молниеотводы высотой 12 м и более — с двумя железобетонными приставками.

Крепление молниеприемника к деревянной стойке опоры молниеотвода
Рис. 38. Крепление молниеприемника к деревянной стойке опоры молниеотвода:
1 — молниеприемник — труба диаметром 3/4"; 2 — скоба; 3 — токоотвод из круглой стали; 4 — держатель молниеприемника; 5 —шайба для держателя молниеприемника

Для молниеотводов с деревянными опорами, применяемых в энергетике, используются железобетонные приставки деревянных опор линий электропередачи 6—35 кВ или изготавливаются из бетона марки 200 и выше со стальной арматурой марки СтЗ, Ст5. Поперечное сечение железобетонных приставок может быть прямоугольным, трапецеидальным, двутавровым, круглым или многогранным.
Сочленение деревянных стоек опор с железобетонными приставками осуществляется при двух приставках посредством скоб с болтами, а при одной приставке — проволочными бандажами со скруткой. Закрепляются молниеотводы в земле с углублением до 2,5 м.
Заземлители молниеотводов на деревянных опорах, как правило, выполняются из стали.
Минимальные размеры элементов заземляющих устройств нормируются [3]. Круглые стальные прутки, укладываемые в земле, должны иметь диаметр не менее 6 мм, прямоугольные полосы — сечение не менее 48 мм2, толщину не менее 4 мм, угловая сталь — сечение не менее 48 мм2, толщину полосы не менее 4 мм, стальные газовые трубы — толщину стенок не менее 3,5 мм. Наибольшее распространение при выполнении заземляющих устройств получили полосовая сталь шириной 20—40 мм и толщиной 4 мм, угловая сталь Ст5 и Стб и трубы стальные диаметром 50—80 мм.

 

Конструкции молниеотводов на сборных железобетонных опорах
Рис. 39. Конструкции молниеотводов на сборных железобетонных опорах высотой 14—22 м

Стержневые молниеотводы на железобетонных опорах имеют железобетонную несущую конструкцию с металлическим молниеприемпиком.
Ранее применялись молниеотводы высотой до 16 м на опорах из сборного железобетона (рис. 39), стойки которых представляли собой в сечении шестигранник длиной 12 м. На вершине стойки опоры к стальной арматуре приваривались металлические плиты, на которых с помощью сварки укреплялись молниеприемники из стальных труб различного диаметра по высоте. Молниеприемники оцинковывались или окрашивались.
Опоры молниеотводов высотой 18 м и более выполнялись из тех же 12-метровых стоек, соединенных с железобетонными приставками длиной 7,5 м. В месте соприкосновения стоек опор с приставками к их арматуре приваривались металлические плиты. Сваркой этих плит и осуществлялось скрепление стоек с приставками. Сквозной болт через приставки и стойку, показанный на рис. 39, является монтажным приспособлением и служит шарниром при подъеме стойки опоры на установленных в землю приставках.
В настоящее время в качестве несущих конструкций молниеотводов на железобетонных опорах применяются унифицированные железобетонные изделия, предназначенные для опор высоковольтных линий электропередачи и контактной сети электрифицированного транспорта (рис. 40).

Конструкции стержневых молниеотводов на железобетонных опорах
Рис. 40. Конструкции стержневых молниеотводов на железобетонных опорах:
а—из вибрированного бетона; б — м центрифугированного бетона

Стержневые молниеотводы на железобетонных опорах

Рис. 41. Стержневые молниеотводы на железобетонных опорах:
а — молниеотвод без прожекторной площадки: 1 — железобетонная стойка (несущая конструкция); 2 — железобетонный подпятник; 3 — металлический оголовок; 4— крепежный элемент; 5 — металлическая стойка; 6 - молниеприемник;
б — молниеотвод с прожекторной площадкой: 1 — железобетонная стойка (несущая конструкция); 2 — железобетонный подпятник; 3 — металлический оголовок; 4— крепежный элемент; 6 — металлическая стойка; 7 — молниеприемник;
7 — прожекторная площадка; в — ограждение; 9 — лестница; 10 — крепление лестницы

При этом применяется вибрированный и центрифугированный бетон марки не ниже 300 с арматурой из стали марок СтЗ и Ст5. Для облегчения стойки опоры выполняются полыми. Вся арматура внутри стоек и приставок соединяется между собой сваркой и служит токоотводом. На расстоянии 2,5—3 м от нижнего конца стойки или приставки из их конструкции делается металлический вывод, приваренный к металлической арматуре. Он служит для присоединения металлической арматуры несущей конструкции к заземлителю. Заземлители железобетонных стержневых молниеотводов выполняются из тех же материалов, которые применяются в заземлителях для деревянных молниеотводов.
Для защиты от прямых ударов молнии электростанций и подстанций в 1976 г. Северо-Западным отделением Энергосетьпроекта разработаны новейшие серии стержневых молниеотводов на железобетонных и металлических опорах высотой до 40 м. Так как на электростанциях и подстанциях в ОРУ требуется хорошее освещение установленного оборудования, для чего устанавливаются осветительные прожектора на высоте 10—15 м, то в конструкциях стержневых молниеотводов предусмотрены площадки для установки прожекторов. На рис. 41, а показаны стержневые молниеотводы на железобетонных опорах без прожекторной площадки, а на рис. 41,6 — молниеотводы с прожекторной площадкой.
У молниеотводов с железобетонными опорами, предназначенных для защиты ОРУ, несущей конструкцией является железобетонная стойка /.
Для снижения массы она выполняется полой. Форма стойки конусообразная. Диаметр нижнего обреза составляет 700—800 мм, а верхнего — 500 мм. Стальная арматура стойки сваривается и служит токоотводом. На верхний торец стойки надевается металлический оголовок 3, на котором крепежным элементом 4 укрепляется металлическая стойка 5. Металлическая стойка представляет собой решетчатую конструкцию, сваренную из стальных уголков размерами от 36X4 до 50X5 мм. Молниеприемник 6 общей длиной 5,71 м выполнен из круглой стали, диаметр которой в верхней части молниеприемника равен 26 мм. Молниеприемник на длине 0,71 м закреплен в металлической стойке. На длине 2 м вверх от опоры к стержню молниеприемника под углом 120° по окружности приварены ребрами металлические полоски размером 50x6 мм, которые придают жесткость молниеприемнику.
В грунте молниеотвод устанавливается на железобетонном подпятнике 2 и закрепляется на глубине 3,3 м. На высоте 0,2 м от земли из конструкции стойки выводится закладная металлическая деталь, соединенная сваркой с металлической арматурой стойки, которая служит для присоединения молниеотвода к заземлителю.
На рис. 41,6 представлен молниеотвод на железобетонной опоре с площадкой для установки прожекторов.
Железобетонная стойка /, металлическая стойка 5 и молниеприемник 6 выполнены так же, как и у молниеотводов без прожекторной площадки (рис. 41,а), но добавляется прожекторная площадка 7 с ограждением 8 и лестницей 9 для подъема на эту площадку. Прожекторная площадка выполняется из стальных прутков диаметром 12 мм, приваренных к корытному прокату. Лестница сваривается из угловой стали размером 40X4 и 50X4 мм со ступенями из круглой стали диаметром 16 мм. Ограждение площадки состоит из стальных углов 50X4 и круглых прутков диаметром 20 мм.
Молниеотводы на железобетонных опорах закрепляются погружением в грунт на глубину до 3,5 м.
Наибольшее распространение на электростанциях и подстанциях получили молниеотводы на металлических опорах. Для изготовления таких молниеотводов применяется прокатная сталь, в основном угловая. Вся конструкция молниеотвода для защиты от коррозии покрывается антикоррозионным лаком № 177 в два слоя с добавлением в верхний слой лака около 20 % алюминиевой пудры.
Стержневые молниеотводы с металлическими опорами на электростанциях и подстанциях устанавливаются отдельно стоящими с обособленным заземлением или на конструкциях ОРУ. Как показал опыт эксплуатации, установка стержневых молниеотводов на крышах зданий электростанций и подстанций нецелесообразна. Молниеотводы, установленные на крышах зданий, затруднительно эксплуатировать: затруднен их ремонт, покраска и т. д. Кроме того, крепление молниеотводов к конструкциям кровли приводит к быстрому износу кровли. Поэтому установка молниеотводов на крышах зданий электростанций не рекомендуется.

Стержневые молниеотводы на металлических опорах Тяжпром-электропроекта

Рис. 42. Стержневые молниеотводы на металлических опорах Тяжпром-электропроекта:
1 — тросовый молниеотвод (несущая конструкция); б — стержневой молниеотвод (несущая конструкция)

На рис. 42 представлены металлические несущие конструкции молниеотводов, разработанные институтом «Тяжпромэлектропроект», которые состоят из отдельных пятиметровых секций. Минимальная высота молниеотвода составляет 10 м (две секции), максимальная высота (включая молниеприемник) — 50 м.
Однако на электростанциях и подстанциях весьма часто стержневые молниеотводы используются для установки прожекторов на освещающихся ОРУ. Поэтому для защиты от прямых ударов молнии электростанций и подстанций Северо-Западное отделение Энергосетьпроекта разработало новейшую серию стержневых молниеотводов на металлических опорах как с прожекторной площадкой, так и без площадки.
На рис. 43 показаны конструкции стержневых молниеотводов на металлических опорах без прожекторной площадки (рис. 43, а) и с прожекторной площадкой (рис. 43, б). Несущая конструкция молниеотвода / без прожекторной площадки выполняется из угловой стали размерами от 50X4 до 80x6 мм. Тросостойка 2 изготовляется из угловой стали размерами от 36x4 до 50X5. Молниеприемник 3 высотой 5 м представляет собой стальной стержень диаметром 24 мм. В нижней части на длине 2 м он усилен ребрами жесткости из полосовой стали 50x4, приваренной ребрами к стержню, по окружности через 120°. Несущая конструкция молниеотвода с прожекторной площадкой изготавливается из угловой стали размерами от 65X5 до 110X8 мм. Тросостойка 2 — из угловой стали размерами от 36X4 до 50x5 мм. Молниеприемник 3 высотой 5 м изготавливается так же, как и для стержневых молниеотводов с металлическими опорами без прожекторной площадки (рис. 43,а). Прожекторная площадка 4 выполняется из стальных прутков диаметром 12 мм. Ограждение 5 площадки состоит из стальных уголков размером 50X4 и круглых стержней диаметром 20 мм. Лестница 6 сваривается из угловой стали размером 40X4 и 50X4, а ее ступени из круглой стали диаметром 16 мм.
Отдельно стоящие стержневые молниеотводы с металлическими опорами устанавливаются на железобетонных фундаментах. Токоотводамп для таких молниеотводов служат несущие конструкции.
На металлических и железобетонных конструкциях ОРУ, как правило, устанавливаются молниеотводы с металлическими несущими частями. Конструкция их крепления определяется особенностями той конструкции ОРУ, к которой крепится стержневой молниеотвод. Обычно конструкция молниеотводов, устанавливаемых на конструкциях ОРУ, представляет собой стальную трубу, нередко состоящую из труб нескольких диаметров. Молниеотводы высотой более 5 м в основании имеют решетчатую конструкцию из угловой стали.

Стержневые молниеотводы на металлических опорах для защиты электростанций и подстанций
Рис. 43. Стержневые молниеотводы на металлических опорах для защиты электростанций и подстанций:
а — молниеотвод без прожекторной площадки: 1 — стальная несущая конструкция; 2 — тросостойка; 3 — молниеприемник; 4 — крепежный элемент; б — молниеотвод с прожекторной площадкой: 1 — стальная несущая конструкция; 2 — тросостойка; 3 — молниеприемник; 4 — прожекторная площадка; 5 — ограждение площадки; 6 — крепежный элемент лестницы

Крепление стержневых молниеотводов к конструкциям ОРУ осуществляется хомутами и крепежными танками посредством болтов, но иногда используется сварка.

Конструкция сетчатого молниеприемника

Рис. 44. Конструкция сетчатого молниеприемника (в скобках, проставлены размеры для сооружении III категории, без скобок—II категории)

Токоотводами у молниеотводов, устанавливаемых на конструкциях ОРУ, являются сами эти конструкции. При защите невзрывоопасных зданий и сооружений молниеприемники укладываются непосредственно на крышу защищаемого здания. В этом случае применяются так называемые сетчатые молниеприемники. Они представляют собой сетку из стальных прутков диаметром 6—7 мм с ячейками площадью от 36 до 150 м2.
Для того чтобы сетка не препятствовала свободному стоку с крыши здания атмосферных вод, ее рекомендуется укладывать под слой гидро- и теплоизоляции. Конструктивное выполнение сетчатых молниеприемников показано на рис. 44. Токоотводы выполняются из стального прутка диаметром не менее 6 мм или полосовой стали сечением не менее 48 мм2 и толщиной не менее 4 мм.
Если защищаемое здание имеет металлическую кровлю, то сама кровля может служить молниеприемником. Присоединение токоотводов к металлической кровле, используемой в качестве молниеприемника, может быть осуществлено специальным прижимным устройством, показанным на рис. 45.
Заземление молниеотводов. На электростанциях и подстанциях стержневые молниеотводы устанавливаются на конструкциях ОРУ или отдельно стоящими вблизи от защищаемого оборудования. При установке стержневых молниеотводов на конструкциях ОРУ для их заземления служит заземляющее устройство ОРУ, а отдельно стоящие молниеотводы имеют свое обособленное заземление, электрически не связанное с заземляющим устройством ОРУ.

 

зажим для присоединения токоотвода к металлической кровле
Рис. 45. Общий вид зажима для присоединения токоотвода к металлической кровле:
1 — зажим из оцинкованного железа; 2 — токоотвод; 3 — металлическая кровля; 4 — болт с шайбой и гайкой

Заземляющее устройство на электростанциях и подстанциях служит:
для обеспечения безопасной работы обслуживающего персонала, так называемое защитное заземление;
для присоединения нейтралей генераторов, трансформаторов — рабочее заземление;
для присоединения средств грозозащиты — разрядников, молниеотводов.
Все перечисленные функции выполняет одно общее заземляющее устройство, которое выбирается по наиболее жестким требованиям и удовлетворяет всем остальным.
На электростанциях и подстанциях таким заземлением является защитное заземление. Оно, как правило, удовлетворяет требованиям рабочего заземления, а во многих случаях может служить для заземления средств грозозащиты и обеспечивает безопасную работу обслуживающего персонала.
Опасность для обслуживающего персонала в электроустановках возникает тогда, когда повреждается изоляция оборудования и через заземлитель проходит ток короткого замыкания или ток замыкания на землю. На рис. 46 показан масляный выключатель, металлический бак которого присоединен к заземлителю с сопротивлением Ra.

Напряжение прикосновения и шага человека

Рис. 46. Напряжение прикосновения и шага человека:
1 — распределение потенциалов: 2 — распределение напряжения прикосновения

При повреждении изоляции выключателя через заземлитель в землю будет проходить ток /3. Примерно на расстоянии около 20 м вокруг заземлителя каждая точка поверхности земли приобретет потенциал. Распределение потенциалов по поверхности земли для этого случая представлено кривой /. Бак выключателя и заземлитель окажутся под потенциалом US=I3R3. При прикосновении человека к баку выключателя его руки приобретут также потенциал бака и заземлителя, а ноги человека получат потенциал Un, значение которого можно найти по кривой /, показывающей распределение потенциалов. Следовательно, тело человека подвергается воздействию разности потенциалов UB—UH, которую называют напряжением прикосновения Uпр:
Unp = U,-UB. (12)
Кривая 2 на рис. 46 показывает, как изменяется напряжение прикосновения: чем ближе к баку выключателя находится человек, тем меньше напряжение прикосновения. Если человек не касается бака, а подходит к нему, то правая и левая его нога находится каждая под своим потенциалом, а разность этих потенциалов называют шаговым напряжением. Высокие напряжения прикосновения и шага представляют опасность для человека.
При снижении сопротивления заземлителя снижаются напряжения прикосновения и шага, уменьшается опасность поражения током. Поэтому основной характеристикой заземлителей является сопротивление, которое оказывает прилегающая к заземлителю земля стекающему току. Сопротивление заземлителя, которое имеет место при отекании с него тока промышленной частоты, называется стационарным.
Для обеспечения безопасной работы персонала в электроустановках значение стационарного сопротивления заземления нормируется. В электроустановках выше 1000 В, работающих с заземленной нейтралью, где ток однофазного короткого замыкания превышает 0,5 кА, сопротивление защитного заземления должно быть не более 0,5 Ом.
В электроустановках напряжением до 1000 В, работающих с заземленной нейтралью, сопротивление заземления, к которому присоединены нейтрали генераторов и трансформаторов мощностью более 100 кВ-А, должно быть не более 4 Ом. При мощности генераторов и трансформаторов 100 кВ-А и менее — не более 10 Ом.
В электроустановках до 1000 В, работающих с заземленной нейтралью, сопротивление заземления подсчитывается по формуле
сопротивление заземления
а в электроустановках выше 1000 В с незаземленной нейтралью — по формуле
сопротивление заземления в электроустановках выше 1000 В
где R — наибольшее при учете сезонных колебаний сопротивление заземления, Ом; 1 — полный ток замыкания на землю в установках без аппаратов, компенсирующих емкостный ток замыкания на землю, А.
В электроустановках с изолированной нейтралью без компенсации емкостного тока замыкания на землю емкостный ток при замыкании одной фазы на землю достигает сотен ампер и может протекать длительное время. Сопротивление заземляющего устройства в этом случае должно быть не более 10 Ом.
Сопротивление заземления в электроустановках с компенсацией емкостных токов подсчитывается также по формулам (13) и (14), но ток / замыкания на землю для расчета заземляющего устройства, к которому присоединены компенсирующие аппараты, принимается равным 125 % номинального тока этих аппаратов, а для заземляющих устройств, к которым не присоединены компенсирующие аппараты, для расчета принимается остаточный ток замыкания на землю, который может быть в данной сети при отключении наиболее мощного из компенсирующих аппаратов, но не менее 30 А.
Нормированное значение сопротивления защитного заземления на электростанциях и подстанциях удовлетворяет требованиям рабочего и грозозащитного заземлений.
Защитное заземление на электростанциях и подстанциях выполняется для всех электроустановок переменного и постоянного тока напряжением 500 В и выше во всех случаях.
В электроустановках напряжением ниже 500 В, за исключением установок переменного тока 36 В и ниже, защитное заземление выполняется только в помещениях с повышенной опасностью, особо опасных и в наружных установках, а в установках 36 В и ниже оно осуществляется лишь во взрывоопасных установках.
Конструктивно заземляющие устройства электростанций и подстанций представляют собой вертикальные стальные электроды длиной до 5 м, погруженные в грунт, верхние концы которых соединены стальной полосой и образуют сетку. Количество электродов и размер сетки определяются расчетом. Таким образом, стационарное заземление электростанций и подстанций зависит от его геометрических размеров и удельного сопротивления грунта.
Грунт в сухом состоянии имеет большое сопротивление растеканию тока. При увлажнении грунта имеющиеся в нем соли и кислоты образуют электролиты, которые и определяют в основном его электропроводность. Чем больше влагоемкость грунта, тем больше его электропроводность. Приближенные удельные сопротивления некоторых грунтов приводятся ниже:
удельные сопротивления некоторых грунтов
При расчетах заземляющих устройств нужно учитывать изменения удельного сопротивления грунта в зависимости от времени года.
Если измерение удельного сопротивления грунта производилось не в наиболее тяжелый (расчетный) сезон, например зимой, то для расчета защитных и рабочих сопротивлений измеренное удельное сопротивление грунта нужно умножить на сезонный коэффициент k.
Для расчета заземлений грозозащиты удельное сопротивление грунта измеряется в условиях грозового сезона и также умножается на сезонный коэффициент k.
Значение сезонного коэффициента k в зависимости от влажности почвы приведено ниже:
Значение сезонного коэффициента
Стационарное сопротивление одного вертикально забитого заземляющего электрода (сопротивление растекания току промышленной частоты) RD подсчитывается по формуле
Стационарное сопротивление одного вертикально забитого заземляющего электрода
где р — удельное сопротивление грунта, Ом-м; 1 — длина электрода, м; d — внешний диаметр электрода, м.
Стационарное сопротивление горизонтального заземлителя рассчитывается по формуле
Стационарное сопротивление горизонтального заземлителя
где I — длина горизонтального заземлителя, м; d — диаметр круглой стали или половина ширины стальной полосы, м; 1 — глубина заложения в грунт, м.
Согласно формулам (15) и (16) вертикальный стержень длиной 2,5—3 м в суглинистом грунте (р=100 Ом-м) имеет сопротивление приблизительно 30 Ом, а горизонтальная полоса длиной 5 м, уложенная на глубине 0,5—0,7 м,— 25 Ом, что не удовлетворяет требованиям, предъявляемым к сопротивлению заземления электростанций и подстанций. Поэтому заземляющее устройство электростанций и подстанций выполняется из большого количества вертикальных и горизонтальных электродов.
При близком расположении электродов друг от друга сопротивление каждого из них повышается, что объясняется взаимным экранированием электродов. Дело в том, что при стекании тока с одиночного электрода вокруг него образуются равномерно расположенные линии тока.
В сложном заземлителе эта равномерность нарушается, потому что линии тока одного электрода вытесняют линии тока соседнего электрода (рис. 47). В результате сопротивление каждого электрода возрастает с уменьшением расстояния между электродами.
Коэффициент, учитывающий увеличение сопротивления электрода в сложном заземлителе вследствие их взаимного экранирования, называется коэффициентом использования заземлителя. Он зависит от конструктивного выполнения заземлителя и, как правило, меньше единицы. Значения коэффициента использования ηтр трубчатых заземлителей, размещенных в ряд, без учета влияния полосы, связывающей их, приведены в табл. 2.

Линии тока в сложном заземлителе при малом расстоянии между электродами
Рис. 47. Линии тока в сложном заземлителе при малом расстоянии между электродами
Таблица 2

Отношение расстояния между трубами к длине трубы

Число труб и

Коэффициент использования Чтр

1

2

0,84—0,87

2

2

0,90—0,92

3

2

0,93—0,95

1

5

0,67—0,72

2

5

0,79—0,83

3

5

0,85—0,88

1

10

0,56—0,62

2

10

0,72—0,77

3

10

0,79—0,83

1

20

0,47—0,50

2

20

0,65—0,70

3

20

0,74—0,79

Значения коэффициента использования nп, трубчатых заземлителей, размещенных в ряд и соединенных полосой, даны в табл. 3.
Для заземляющего устройства электростанций и подстанций используются как искусственные, так и естественные заземлители.
Искусственные заземлители состоят из горизонтальных параллельных и пересекающихся между собой стальных полос, образующих на площади подстанции сетку. Полосы объединяют вертикальные электроды, расположенные внутри и по контуру, оватывающему открытые и закрытые распределительные устройства.
Таблица 3

Отношение расстояния между трубами к длине трубы

Коэффициент использования ηn трубчатых заземлителей при числе труб в ряду

4

8

10

20

30

50

65

1
2
3

0,77
0,89
0,92

0,67 0,79 0,85

0,62
0,75
0,82

0,42
0,50
0,68

0,31 0,46 0,58

0,21
0,36
0,49

0,20 0,34 0,47

Расчет такого контура требует большого количества вычислений.
Более простой способ расчета сложных заземлителей производится по формуле, полученной в результате физического моделирования в электролитической ванне:

(17)
где R — сопротивление сложного заземлителя, Ом; L — суммарная длина всех горизонтальных электродов, м; 1 — длина одного вертикального электрода, м; п — число вертикальных электродов; — сторона эквивалентного квадрата площади контура подстанции, которая определяется по площади S заземляющего контура, м; Л — коэффициент, зависящий от величины отношения IfVS .
Значение коэффициента А в зависимости от lf\/S приведено ниже:
//1/s". . . о 0,02 0,05 0,1 0,2 0,5
А..... 0,44 0,43 0,4 0,37 0,33 0,26
Расчетное эквивалентное удельное сопротивление грунта рэ определяется по кривым (рис. 48), построенным на основе аналитических расчетов ВИЭСХ и методов физического моделирования для разных отношений pi/рг двухслойного грунта и разных типов заземлителей, Ом-м.
На рис. 48 представлены кривые зависимости эквивалентного удельного сопротивления рэ, отнесенного к удельному сопротивлению второго слоя грунта рг, от геометрических размеров контура и его расположения в грунте. Кривые построены для различных отношений pi/pa.
Для построения подобных зависимостей методом вертикального электрического зондирования (ВЭЗ) определяются: толщина первого слоя (верхнего) грунта Я, его удельное сопротивление pi и удельное сопротивление второго слоя грунта р2.
Зная геометрические размеры заземлителя А, I и его размещение в грунте, можно определить расчетное эквивалентное удельное сопротивление рэ по кривым рис. 48.
Предположим, в результате измерений ВЭЗ получено: pi = 300 Ом-м; р2= 100 Ом-м; Я=2,5 м. Геометрические размеры /=а=5 м; ft = 0,5 м. Тогда
_ 300 _ 3, H — h = 2,5 — 0,5 = q 4. а_ _ j р2 ~ 100 ~~ ' / 5 ' ' I '
По кривым рис. 32 находим рэ/р2=1,2, откуда ра= 1,2-100= 120 Ом-м, которое и подставляется в формулу (17).
Подобные кривые построены для различных геометрических размеров заземляющих контуров, учитывающих влияния неоднородности земли на их сопротивление и на напряжение прикосновения.

Естественными заземлителями на электростанциях и подстанциях могут служить: заземлители опор линий электропередачи, присоединенные к заземлителю подстанции тросом через линейный портал, металлические оболочки кабелей, водопроводные и другие металлические трубопроводы

Относительное эквивалентное удельное сопротивление
Рис. 48. Относительное эквивалентное удельное сопротивление рэ/р2, учитывающее влияние неоднородности земли

Произведенные расчеты показали, что, с одной стороны, выполнение защитных заземлений с сопротивлением 0,5 Ом в некоторых случаях встречает значительные трудности (высокие удельные сопротивления грунта, малые площадки подстанций и т. п.), а с другой — в ряде случаев безопасные напряжения в электроустановках с заземленной нейтралью могут быть достигнуты при большем, чем 0,5 Ом, значении сопротивления, что дает экономию металла при выполнении заземляющих устройств электростанций и подстанций.
Поэтому с апреля 1977 г. введены в действие нормы на наибольшее допустимое напряжение на заземляющем устройстве и напряжения прикосновения в соответствии с длительностью прохождения тока короткого замыкания, определяемой суммой времени действия релейной защиты и времени отключения выключателя [4]:
Длительность воздействия, с ...... До 0,1 0,2 0,5 0,7 1,0 3 и более
Наибольшее допустимое напряжение прикосновения, В . . . 500 400 400 130 100 65
Кроме того, наибольшее допустимое напряжение на заземляющем устройстве не должно превышать 10 кВ. В дальнейшем защитные заземления распределительных устройств и трансформаторных подстанций выше 1000 В с глухим заземлением нейтрали могут выполняться по нормам на наибольшее допустимое напряжение на заземляющем устройстве и напряжение прикосновения, которые обеспечат безопасность персонала. Расчет заземляющих устройств на напряжение прикосновения производится при помощи ЭВМ.
Защитное заземление на электростанциях и подстанциях удовлетворяет требованиям рабочих заземлений и заземлений средств грозозащиты. Однако при присоединении средств грозозащиты к защитным заземлениям электростанций и подстанций необходимо учитывать их особенности.
Дело в том, что защитные и рабочие заземлители отводят в землю ток промышленной частоты и их сопротивление является стационарным, тогда как через средства грозозащиты проходит ток молнии, который имеет импульсную форму. При прохождении импульсного тока через заземлитель создаются специфические условия, которых не возникает при прохождении тока промышленной частоты.
При стекании с заземлителей больших токов молнии в землю вблизи поверхности электродов создаются очень высокие напряженности электрического поля, под воздействием которых пробивается слой земли, прилегающий к поверхности электрода.
Вокруг электрода образуется проводящая зона искрения, которая как бы увеличивает поперечные размеры электрода и тем самым снижает его сопротивление. Однако наибольший эффект снижения сопротивления за счет искрения имеет место только в том случае, когда электроды имеют небольшие размеры и их индуктивное сопротивление практически не влияет на процесс отвода тока в землю.
Такие заземлители называются сосредоточенными. Значение сопротивления сосредоточенных заземлителей при импульсах меньше, чем при токе промышленной частоты. Если заземлитель имеет большую длину, то его индуктивность оказывает значительное влияние на процесс отвода тока молнии в землю и ее влияние увеличивается при уменьшении длительности фронта импульса тока и удельного сопротивления грунта и при увеличении длины заземлителя.
Заземлитель большой протяженности при прохождении через него тока молнии представляет собой проводник, разделенный на две части индуктивным сопротивлением, как это показано на рис. 49. Из-за быстрого нарастания тока молний (крутой фронт импульса) индуктивность будет препятствовать прохождению тока по заземлителю.
Удаленные части заземлителя Б—В не успевают включиться в процесс отвода тока молнии в землю и снижают эффективность действия заземлителя. Заземлители, в которых имеет место такой процесс, называют протяженными.
У протяженных заземлителей при прохождении тока молнии сопротивление оказывается больше, чем при прохождении тока промышленной частоты. Вот почему непригодны для отвода токов молнии «выносные заземлители» электростанций и подстанций, которые устраиваются в реках и болотах, имеют низкие сопротивления, но далеко отстоят от площадки подстанции и представляют собой протяженные заземлители.
Изменение сопротивления заземлителей при прохождении через них тока молнии в зависимости от их конструкции (протяженность) учитывается импульсным коэффициентом <хи, который численно равен отношению сопротивления Z„ в импульсном режиме к сопротивлению при промышленной частоте R, т. е.

хема работы протяженного заземлителя при отводе импульсных токов молнии в землю

Рис. 49. Схема работы протяженного заземлителя при отводе импульсных токов молнии в землю:
%L — индуктивное сопротивление заземлителя; А — место входа тока молнии; Б—В — участок заземления, удаленный от места ввода тока молнии

(19)
Отсюда импульсное сопротивление Z„ может быть найдено по формуле
Z„ = a„R,
где R — стационарное сопротивление, Ом; аи — коэффициент импульса.
Коэффициент импульса может быть меньше, больше и равен единице в зависимости от того, какой процесс превалирует при прохождении тока молнии: искрообразование или большое индуктивное сопротивление. При сильном искрообразовании и небольшой индуктивности (сосредоточенные заземлители) сопротивление заземлителя снижается, коэффициент импульса меньше единицы. При большой индуктивности (протяженные заземлители) коэффициент импульса больше единицы. В том случае, когда эффект искрообразования компенсирует влияние большой индуктивности на сопротивление заземлителя, коэффициент импульса равен единице.
Импульсный коэффициент заземлителей зависит не только от его геометрических размеров, но и от удельного сопротивления грунта р и тока молнии /м.
На рис. 50 показана зависимость импульсного коэффициента вертикальных заземлителей от характера грунта р и параметров тока молнии (/м, Екр).
Как видно из рис. 50, с увеличением тока молнии, стекающего с заземлителя, и с увеличением удельного сопротивления грунта импульсный коэффициент снижается. При больших амплитудах тока молнии увеличивается плотность стекающего с заземлителя тока, что приводит к развитию искровой зоны вокруг заземлителя и снижает его сопротивление.
Увеличение удельного сопротивления грунта также способствует развитию искровой зоны, значение которой зависит от пробивной напряженности грунта Епр. Наименьшее значение Ещ, наблюдается в грунтах с удельным сопротивлением около 500 Ом-м и при предразрядном времени 3—5 мкс и составляет 6—12 кВ/см.

Импульсные коэффициенты вертикальных заземлителей
Рис. 50. Импульсные коэффициенты вертикальных заземлителей

Надо иметь в виду, что при стекании импульсного тока молнии контур защитного заземления подстанции, имеющей значительные размеры, будет вести себя как протяженный заземлитель, для которого импульсное сопротивление может быть значительно больше его стационарного сопротивления из-за преобладающего влияния индуктивности над искровым процессом.
Из рис. 51 видно, как изменяются стационарное и импульсное сопротивления заземлителя подстанции в зависимости от его геометрических размеров и удельного сопротивления грунта. Заземлитель с сеткой площадью S = 6400 м2 (V-5 =80 м), состоящий из 16 вертикальных электродов (п=16) длиной по 8 м (/=8 м) каждый, при удельном сопротивлении грунта площадки подстанции р = 400 Ом-м имеет стационарное заземление R = 2,2 Ом, а импульсное при 100 кА и т=6 мкс Z„ = 2,5 Ом, тогда как контур с сеткой площадью 400 м2 (~\/S = 20 м), состоящий из четырех вертикальных электродов (п=4) длиной по 8 м (/=8 м) каждый, при том же удельном сопротивлении грунта 400 Ом-м имеет соответственно >? = 6,9 Ом, ZH=6,1 Ом.
Если при большой площади заземляющего контура (S = 6400 м2) импульсное сопротивление было больше стационарного, то при меньшей площади (S=400 м2), наоборот, стационарное заземление больше импульсного. Из рис. 51 также видно, что с увеличением площади, занимаемой заземлителей, значительно снижается как стационарное, так и импульсное его сопротивление.
В сложных заземлителях явление взаимного экранирования наблюдается как при токах промышленной частоты, так и при импульсных токах. Однако коэффициент использования сложных заземлителей при импульсных токах ниже, чем при токах промышленной частоты. Таким образом, при установке стержневых молниеотводов на конструкциях ОРУ, когда заземлителей молниеотвода служит заземляющий контур подстанции, имеющий значительные размеры, его следует считать протяженным.
Для заземления отдельно стоящих стержневых молниеотводов выполняется свое обособленное, не соединенное с контуром подстанции заземление. Оно состоит из небольшого числа вертикальных электродов, объединенных между собой горизонтальной полосовой или круглой сталью.

Зависимости стационарного сопротивления и импульсного сопротивления

Рис. 51. Зависимости стационарного сопротивления и импульсного сопротивления (при /м = 40-100 кА) сеток и сеток с вертикальными электродами от удельного сопротивления грунта: 1 — /м -40 кА; 2 - 1и -100 кА
В табл. 4 приводятся различные варианты конструктивного выполнения заземлителей, обеспечивающих при минимальных затратах металла импульсное сопротивление 10 Ом при токе молнии 100 кА в грунтах с удельным сопротивлением р =100-650 Ом-м.

Таблица 4

варианты конструктивного выполнения заземлителей

варианты конструктивного выполнения заземлителей



 
« Заземляющие устройства   Кабельные маслонаполненные линии 110-500 кВ высокого давления »
Карта сайта + все метки | Контакты
© Электроэнергетика При перепечатке и цитировании активная гиперссылка на сайт обязательна.