Защита электроустановок от прямого удара молнии

 

Защита от прямых ударов молнии основана на том, что на­правление лидера молнии наиболее вероятно к объекту, на ко­тором имеется максимальное значение напряженности элект­рического поля. В качестве объектов сооружают возвышенные молниеотводы, которые принимают на себя лидер и главный разряд молнии.

Правильный выбор расположения молниеотвода позволяет практически исключить попадание молнии в защищаемый объект. Чтобы при этом напряжение на молниеотводе не превышало до­пустимого предела и не возникали условия для повреждения изо­ляции защищаемого объекта, молниеотводы должны быть зазем­лены через малое сопротивление.

Для защиты объектов небольшой протяженности (здания, от­крытые подстанции) применяют стержневые молниеотводы. Стержневой молниеотвод представляет собой высокую деревян­ную или стальную мачту, вертикально закрепленную в земле. На верху мачты укрепляют молниеприемник в виде стального стер­жня, трубы или угловой стали площадью сечения не менее 100 мм². Он должен быть выше мачты не менее чем на 15 см и более чем на 2 м. Молниеприемник соединен с токоотводом, в качестве которого применяют стальную проволоку диаметром не менее 6 мм. Токоотвод проходит вниз по мачте, его соединяют с заземлением из стержней или уголковой стали, сопротивление растеканию которого не должно превышать 15...20 Ом. Заземле­ние располагают не ближе чем на 0,5.. 0,8 м от фундаментов зда­ний, а у животноводческих помещений — не ближе 4,5 м от их стен. Протяженные объекты (линии электропередачи, крупные подстанции) более целесообразно защищать от прямых ударов молнии заземленными тросами, натянутыми над защищенным объектом. Следует отметить, что линии напряжением до 35 кВ включительно, а на деревянных опорах и ПО кВ защищать от прямых ударов молнии не рекомендуется по экономическим со­ображениям.

Зона защиты одиночного стержневого молниеотвода высотой до 60 м показана на рисунке 11.1. Размеры зоны определяют соот­ношением

(11.1)

 

где Р= 1 при h≤3 0м и P=5,5 h при высоте h >30м.

Для открытых распределительных устройств станций и под­станций, в том числе сельских, принимают зоны защиты с вероят­ностью прорыва не более 10~², т. е. не более одного удара молнии из ста может поразить защищаемый объект.

 

 

Рис. 11.1. Зона защиты одиночного стержне­вого молниеотвода высотой до 60 м:

h —высота молниеотвода; hx — высота точки на границе защищаемой зоны; ha=h- h_x — активная высота молниеотвода; r_х — радиус защиты на вы­соте hx.

 

Ожидаемая частота ударов молнии в год в одиночный возвышающийся объект, в том числе стержневой молниеотвод высотой h (м), год^-1,

(11.2)

Где n= 0,06 – частота ударов молнии в землю площадью 1 км² за 1 ч, (км^2•ч)^-1;

Т - средняя интенсивность грозовой деятельности для данной местности, ч/год;

R =3,5 h – эквивалентный радиус окружности, описывающий площадь, с которой молниеотвод «собирает» молнии, м.

Частота ударов молнии в группу возвышающихся сооружений (в том числе молниеотводов)

(11.3)

Где S – площадь, ограниченная дугами окружности, описанными радиусом R вокруг каждого молниеотвода, а для сооружения длиной l (м), шириной m (м) и высотой h^` (м).

(11.4)

Покажем это на числовом примере. Пусть имеется трансформаторная подстанция размером l = 80м, m = 60м, h^’ = 12м. Тогда частота поражений подстанции в районе с Т =60 грозовых часов в году составит

или один в 11,8 лет, что, конечно, недопустимо. При наличии защиты стержневыми молниеотводами с вероятностью прорыва не более 10^-2 поражение возможно лишь один раз в 118 лет, т.е. в период, значительно больший срока службы подстанции.

Если одиночный стержневой молниеотвод не обеспечивает охвата всей защищаемой зоны либо требуется слишком высокий молниеотвод, число молниеотводов следует увеличить. Зона защиты двух стержневых молниеотводов (двойной молниеотвод) показана на рисунке 11.2.

Внешнюю зону защиты молниеотводов стоят так же, как и одиночных,

пользуясь формулой (11.1). Наименьшую ширину зоны защиты между молниеотводами (двойной молниеотвод) показана на рисунке 11.3.

Внешнюю зону защиты молниеотводов стоят так же, как и одиночных, пользуясь формулой (11.1). Наименьшую ширину зоны защиты между молниеотводом на уровне h₀ определяют по кривым, приведенным на рисунке 11.3.

Наименьшая высота зоны защиты для молниеотводов высотой до 30м составляет

(11.5)

Зона защиты трех и более стержневых молниеотводов значительно превышает сумму зон защиты одиночных молниеотводов. Построения горизонтальных сечений зоны защиты на уровне h_x показаны на рисунках 11.4 и 11.5 на примере трех- и четырехстержневых молниеотводов.

Размеры bх/2 определяют по кривым (см. рис. 11.3) в зависимости от a/ha и высоты молниеотвода. Радиус защиты rх определяют так же, как для одиночного молниеотвода.

Необходимое условие защищенности всей площади на уровне hа для молниеотводов высотой до 30 м можно записать так: D < 8 hа (см. рис. 11.4, а и б).

Для защиты протяженных объектов, главным образом проводов воздушных линий электропередачи напряжением 110 кВ и выше, применяют тросовые молниеотводы, которые представлют собой стальные тросы, проложенные на тех же опорах выше основных проводов.

 

Зона защиты трех (а) и четырех (б) стержневых молниеотво­дов одинаковой высоты на уровне hx. Зона защиты одиночного тросового молниеотвода высотой до 30 м — горизонтально под­вешенного троса — имеет форму, показанную на рисунке 11.5, а. Зона защиты на уровне hx ограничивается двумя параллельными тросу линиями, расположенными на расстоянии rх от вертикаль­ной плоскости, пересекающей молниеотвод. Это расстояние rх, условно называемое по аналогии с одиночным стержневым мол­ниеотводом радиусом защиты, для h< 30 м определяют по фор­муле

(11.6)

Значение К1 зависит от допустимой вероятности прорыва мол­нии в зону защиты. Для защиты с вероятностью прорыва молнии не более 10-2 К1 = 1,21, а с вероятностью прорыва не более 10-3 К1 = 0,6.

Построение зоны защиты двух параллельных тросовых молние­отводов высотой до 30 м показано на рисунке 11.5, б. Внешние об­ласти зон защиты определяют как для одиночного тросового мол­ниеотвода. Вертикальное сечение зоны защиты между двумя тро­совыми молниеотводами ограничивается дугой окружности, про­ходящей через молниеотводы и среднюю точку между молниеотводами О, находящуюся на высоте

Значение К3 зависит от заданной вероятности прорыва молнии в зону защиты. Для зоны с вероятностью прорыва не более 10-3 К3 = 3.

Для защиты объекта между двумя тросами необходимо соблюсти условие ha = h — hx> а/К3, определяющее превышение молниеотвода над защищаемым объектом.

Частота ударов молнии в год в протяженный объект, в том числе тросовый молниеотвод высотой h и длиной l (м), в соответствии с формулой (11.2) составляет

(11.8)

Коэффициент защиты тросового молниеотвода оценивают тангенсом угла защиты а

(11.9)

На линии с портальными опорами устанавливается два троса. Средний провод оказывается в более благоприятных условиях щиты, чем крайние. Построение защиты между тросами показо на рисунке 11.6.

Средняя точка О дуги окружности защиты между тросами

Чем меньше угол а, тем менее вероятен прорыв зоны защит током молнии. Однако нельзя угол а делать менее 15° во избежание схлестывания тросов с проводами при сбросе гололеда. Оптимальное значение a = 20...24°, а для ВЛ 35 кВ в целях снижения затрат, связанных с увеличением высоты опор, удовлетворительным считают a = 35°.

Линии напряжением 110 кВ и выше на железобетонных и металлических опорах, защищают грозозащитными тросами по всей длине, а линии напряжением 35 кВ на деревянных опорах — только на подход, к подстанциям мощностью более 2x1,6 МВ • А, если число грозовых часов в го,е 60, а также когда нет резервирования на напряжении 10 кВ.

Длина защищаемого подхода (0,5...2км) зависит от расстояния между вентильным разрядниками и оборудованием. Подход ВЛ 35 кВ к подстанциям меньшей мощностью

тросом не защищают, но на указанной длине заземляют ап­паратуру железобетонных опор и крепления изоляторов на дере­вянных опорах. Сопротивление заземлителя зависит от удельного сопротивления грунта.

Тросовые молниеотводы, защищающие подходы ВЛ к ОРУ на­пряжением 35 кВ и подстанциям 35/(6... 10) кВ, разрешается при­соединять к заземленным контурам ОРУ при удельном сопротив­лении грунта в грозовой сезон до 750 Ом • м, а также при значении 750..1000 Ом • м, если площадь заземляющего контура подстан­ции не менее 10 тыс. м2. Линии напряжением 0,38... 10 кВ от пря­мых ударов молнии не защищают.

Защита подстанций от прямых ударов молнии зависит от на­пряжения, установленной мощности трансформаторов, числа гро­зовых часов и удельного сопротивления грунта. Так, при любом числе грозовых часов в году не требуется защита от ударов молнии оборудования ОРУ и подстанций напряжением 20...35 кВ, мощно­стью 1,6 МВ • А, а при числе грозовых часов в году 20 и менее не нужна защита подстанций любой мощности.

Молниеотводы устанавливают на концевых опорах вводов ВЛ 35 кВ, защищенных тросом, на стойках конструкций и пор­тала ОРУ напряжением 110 кВ, удаленных от трансформатора на расстояние не менее 15 м, при удельном сопротивлении грунта в грозовой сезон до 1000 Ом • м, а ОРУ напряжением 35 кВ — при удельном сопротивлении до 500 Ом • м. Если рас­стояние не менее 15 м, а удельное сопротивление не более 350 Ом • м, то сопротивление заземляющего контура подстан­ций напряжением 35 кВ не должно превышать 4 Ом • м, а в мес­тах входа тока молнии должно быть обеспечено его растекание в трех-четырех направлениях. Кроме того, на расстоянии 3...5 м от места входа тока забивают два-три вертикальных электрода длиной 3...5 м.

Комплектные ТП напряжением 6...35/0,4 кВ, мощностью до 630 кВ • А от прямых ударов молнии не защищают.

 

 

 

 

Библиографический список