4.1. Защита от прямого попадания молнии

Атмосферное  электричество (молния) представляет собой электрический разряд в атмосфере между облаками и землей или между разноименными зарядами облаков.

В большинстве случаев нижняя часть грозовых облаков заряжается отрицательно, а на поверхности индуцируется положительные заряды. Так образуется как бы гигантский заряженный конденсатор, одной обкладкой которого служит грозовое поле, а другое земля. По мере концентрации зарядов увеличивается напряженность электрического поля этого конденсатора при достижении величины 300 кВ/м соз­дается условие для возникновения молнии. Воздействие зарядов молнии могут быть двух видов:

молния – поражает здание и установки (непосредственно удар молнии), молния оказывает вторичное воздействие, объясняемые электростатической и электромагнитной индукцией.

Электростатическая индукция проявляется тем, что на изолированных металлических предметах наводятся опасные электрические потенциалы, вследствие чего возможно искрение между отдельными металлическими элементами конст­рукций и оборудования.

В результате электромагнитной индукции, обусловленными быстрыми изменением значения тока молнии в металли­ческих незамкнутых контура, наводятся электродвижущие силы, что приводит к опасности искрообразования между ними в местах сближения этих контуров.

Инструкцией по проектированию и устройству молниезащиты подразделяются на три категории. Предусмотрена мол­ниезащита зданий и сооружений в зависимости от назначе­ния, интенсивности грозовой деятельности в районе их расположения, а также от ожидаемого количества поражений молний в год по одной из трех категорий устройства мол­ниезащиты и с учетом типа зоны защиты. Зона защиты мол­ниеотвода – это часть пространства, внутри которого зда­ние или сооружение защищено от прямых ударов молнии с определенной степенью надежности. Зона защиты типа А – надежность 99.5% и выше, зона Б – надежность 95% и выше.

Наружные установки, отнесенные по устройству молниезащиты ко второй категории, защищают от прямых ударов молнии и статической индукции, а отнесенные к третей ка­тегории - только от прямых ударов молнии.

Наиболее часто возникают линейные молнии, длительность которых составляет десятые доли секунды. Такие молнии наиболее опасны при прямом ударе. В основном они поражают предметы, имеющие большую высоту, чем другие расположены по близости, по этому для защиты от молний используют молниеотводы, которые представляют собой воз­вышающиеся над защищаемым объектом металлические устрой­ства, воспринимающие прямой удар молнии и отводящие мол­нии в землю.

Каждый район имеет интенсивность грозовой деятельности. Это немаловажный фактор при выборе типа и конструк­ции грозозащиты. Поэтому ожидание количества поражений молний в год зданий и сооружений необходимо знать. Это число находится по формуле:

N=(S+6h)(L+6h)·n*10^-6 =(41+6∙7)(61+6∙7)9∙10^-6 = 0,077;

где S и L – соответственно ширина и длина защищаемого здания (сооружения), имеющего в плане прямоугольную форму, м; h – наибольшая высота защищаемого здания (сооружения), м; n – среднегодовое число ударов молний в 1 км² земной поверхности в месте расположения здания; зна­чения n при разной интенсивности грозовой деятельности следующее:

 Интенсивность грозовой              10-20 20-40 40-60 60-80 80 и более

 деятельности в год, ч

 Среднегодовое число ударов молнии     1     3   6    9      12

 в 1 км² земной поверхности

При выполнении молниезащиты зданий и сооружений для повышения безопасности людей и животных необходимо заземлители молниеотводов (кроме углубленных) размещать в редко посещаемых местах, в удалении на 5 м и более от основных грунтовых и проезжих и пешеходных дорог.

Защита от прямых ударов молнии зданий и сооружений, относимых к первой категории, выполняется отдельно стоящим стержневым молниеотводом устанавливаемым на защищае­мом объекте. Этот мол­ниеотвод обеспечивает зону защиты типа Б.

Рассматриваемая подстанция относится к первой категории по молниезащите. Для защиты объектов этой катего­рии применяем стержневой молниеотвод. Молниеотвод состоит следующих элементов:

 молниеприемника, непосредственно принимающего удар молнии;

 несущей конструкции, предназначенной для установки молниеприемников;

 токоотвода, обеспечивающего вывод тока молнии в землю.

Зона защиты одиночного стержневого молниеотвода высотой h ≤ 150 м и представляет собой конус, вершина ко­торого имеет высоту h₀ < h. На уровне земли зона образует круг радиусом r₀. Горизонтальное сечение зоны за­щиты на высоте защищаемого сооружения h_x представляет собой круг радиусом r_x.

Зона защиты типа Б имеет габариты:

h₀ = 0,92h

r₀ =1,5h

r_x =1,5(h-h_x /0.92)

Производим расчет для объекта первой категории по устройству молнезащиты. Высота молниеотвода 15 м, молниеотвод устанавливаем на портале высотой 10 м. Защитная зона Б. Принимаем молниезащиту с четырьмя молниеотводами стержневого типа. Длина зоны 61 м, ширина 41 м рис. 4.1.

Габариты подстанции и установка молниеот­вода

#

рис. 4.1.

h₀ = 0.92∙25=13,8 м

r₀ =1,5∙25=22,5 м

Зоны защиты построим для уровня

h_x1 =7 м

Радиус зоны защиты соответственно составляет:

r_x1 = 1,5(15-7/0,92)=11,1 м

Определим параметры h_c,r_cx1

h_c = h₀ – (0.17+3∙10^-4h)(100-h)= 8 м

r_cx1 = h(h_c - h_x1)/h_c = 25(8-7)/8= 3.125 м

4.2. Расчет заземления

Защитное действие заземления основано на снижении напряжения прикосновения, что достигается путем уменьшения напряжения на корпус оборудования относительно по­верхности земли или за счет малого сопротивления зазем­ления.

Защитное заземление является эффективной мерой для электроустановок, питающихся напряжением 1000 В с изолированной нейтралью и напряжением выше 1000 В с любым ре­жимом нейтрали источника питания.

Различают три вида заземлений: рабочее заземление, защитное заземление и заземление грозозашиты, причем в ряде случаев один и тот же заземлитель может выполнять два или три назначения одновременно. К рабочем у заземлению относится заземление нейтралей силовых трансформаторов, генераторов, дугогасящих аппаратов, измери­тельных трансформаторов напряжения, реакторов, заземле­ние фазы при использовании земли в качестве рабочего провода и пр.

Защитное заземление выполняется для обеспечения безопасности людей, обслуживающих электрическую установку, путем заземления металлических частей установки (напри­мер, баков трансформаторов), которые нормально имеют нулевой потенциал, но могут оказаться под напряжением при перекрытии или пробое изоляции.

Заземление грозозащиты служит для отвода тока молнии в землю от защитных разрядников, стержневых и тросовых молниеотводов или других конструкций, в которые произошел удар молнии.

Различают искусственные и естественные заземлители. В качестве искусственных заземлителей служат заложенные в землю металлические полосы или уголки шириной от 3 до 5 см, толщиной не менее 35 мм длиной 2.5 – 6 м или металлические стержни диаметром 10 – 12 мм или длиной 10 м. Естественными заземлителями называют находящиеся в соприкосновении с землей электропроводящие части коммуникаций, зданий и сооружений производственного или иного назначения, используются для цепей заземления. Для рас­чета заземления в электроустановке с большим током ко­роткого замыкания, рекомендуется статический метод рас­чета, учитывающий двухслойное строение грунта с горизон­тальной границей раздела меду слоями.

Длина контура заземления 61 м, ширина 41 м, площадь S=61*41= 2500 м² ,√S=50 м грунт двухслойный, удельное сопротивление верхнего слоя ρ₁ = 120 Ом∙м, нижнего ρ₂ = 70 Ом∙м. Толщина верх­него слоя h = 2 м. По периметру территории подстанции в грунт забиты вертикальные элементы длиной 5.5 м, соеди­ненные стальной полосой на глубине H = 0.8 м. Расстояние между стержнями α_ср = 2 м. Внутри контура положены по ши­рине пять и по длине две полосы, длина полос L=61∙4+41∙7=531 м.

Определяем ток замыкания на землю

#

где U – фазное напряжение сети, кВ;

L_к –общая длина подключенных к сети кабельных линий, км;

L_в -общая длина подключенных к сети воздушных линий, км.

Обобщенный параметр (так как ρ₁ /ρ₂ =1.71 < 2)

#

где l – длина вертикальных стержней; L – общая длина всех горизонтальных соединительных полос; α_ср – среднее значение расстояния между соседними вертикальными стерж­нями;H – глубина заложения горизонтальных полос; h – толщина верхнего слоя грунта

S – площадь занимаемая заземлителем

Промежуточные обобщенные параметры определяются из [5,табл. 10.7], так как μ=ρ₁/ρ₂ = 120/70 = 1.71 < 2

C_B =0.52 ; E_B = 0.239 + 0.0693∙2 = 0.3776

C_β =0.149;E_β = 0.338 + 0.0245∙2 = 0.387

Значения параметров B и β находим по формулам

#; #

откуда   B=0.52∙1.5^0.3776 =0.606 ; β = 0.149∙1.5^0.387 =0.174

Сопротивление заземления вычисляем по формуле #

Откуда R_з =0.606∙32.56^-0,174 ∙1.4 = 0.463 Ом, что меньше нормы 0.5 Ом.

Из [5,табл. 10.8] определяется параметр M интерполяцией, так как μ=1.71 ( 0.5 < μ < 2 ) M =0.572.

Коэффициент  напряжения прикосновения

#

Напряжение прикосновения

#

Что меньше допустимого  10 В.