Реферат: Молниезащита подстанции

Молниезащита подстанции

СОДЕРЖАНИЕ

Введение

.        Природа молнии.

.        Молниезащита подстанции

.        Защита подстанции от прямого удара молнии. Молниеотвод

.1      Принцип работы молниеотвода

.2      Установка молниеотводов

.        Аппараты защиты от импульсного перенапряжения

.1      Разрядники.

.2      Ограничители перенапряжений

.        Правила защиты электроустановок

.        Защита подстанций промышленных предприятий

Заключение

Список литературы

Введение

Молния это природное явление, представляющее собой мощной электрический разряд. До сих пор это красивое, но опасное чудо природы не исследовано полностью. Однако, всем известна разрушительная мощь грозового разряда. Это большая угроза не только для жизни человека, но и для его имущества. Необходимость и важность защиты от ударов молнии электрических установок, линий электропередач, зданий и сооружений растет вместе с увеличением потребностей в увеличении генерируемой мощности для удовлетворения нужд потребителей.

Воздействие молнии не ограничивается на электрическом воздействии. Она обладает так же термическими и механическими силами разрушения. Температура канала грозового разряда по последним данным составляет примерно 30 000 градусов по Цельсию. Поэтому при прохождении по токоведущим частям грозовой разряд способен расплавить металл, который является основным материалом для проводников, корпусов электроустановок. Для сохранения целостности электрооборудования подбирается минимально допустимое сечение проводов, толщина изоляции и т.д.

Молния так же оказывает механическое воздействие. Самый обычный пример это расщепление дерева опоры линии электропередач или повреждение трубчатых разрядников и других аппаратов. Такое воздействие молнии может привести к серьезным последствиям, как отключение участка электроснабжения, так и расстройство сложного технологического процесса.

В данной работе будет подробно рассмотрено влияние электрического разряда молнии на подстанцию, способов ее защиты и защиты оборудования подстанции.

1.      Природа молнии

Для лучшего понимания процесса защиты подстанции от попадания молнии необходимо понять природу этого явления. До сих пор существует множество теорий об образовании молний. Некоторые из них связаны с воздействием на нашу атмосферу космических лучей, другие связывают появление молнии с разностью потенциалов земли и грозового облака, в результате которой происходит своеобразный пробой в воздухе и мы видим искру. Однако до сих пор нет такой теории, которая полностью объяснила бы весь процесс образования молнии.

Одна из самых распространённых теорий относится к предположениям М.В. Ломоносова. По его предположениям, причина появления электрических разрядов в облаках заключается во влиянии постоянного электрического поля земли.

Заряд нашей планеты, как известно, всегда был отрицательным. От заряда земли зависит напряженность электрического поля на поверхности. Свободные заряды в воздухе движутся по направлению электрического поля и, с удалением от поверхности земли, их плотность увеличивается в несколько миллиардов раз. Земля вместе с зоной достаточной плотности свободных зарядов, расположенной от поверхности на расстоянии 80 км, образует шарообразный конденсатор. Между обкладками которого, находится диэлектрик - слой воздуха.

Грозовые облака по своему происхождению делятся на тепловые и фронтальные. Принцип появления тепловой грозы очень прост. В результате нагрева поверхности земли, раскаленный воздух поднимается вверх. Когда эта масса попадает в область низких температур атмосферы Земли, то пар начинает конденсировать, в результате чего образуются грозовые облака. В такие облака входит множество электрически заряженных маленьких капель.

Принцип образования фронтальных облаков похож на появление тепловой грозы. Различие заключается в том, что теплый воздух поднимается вверх из-за столкновения с потоком холодного воздуха. В результате чего образуются завихрения, которые попадают в область низких температур, и далее процесс развития фронтальной грозы идентичен появлению тепловой.

Электрически заряженные капли в облаке, находясь между отрицательно заряженной Землей и положительно заряженным слоем воздуха в верхнем слое атмосферы, начинают поляризоваться. Далее заряды начинают переориентироваться как в самом облаке, так и в атмосфере. Но в облаке разряды распределяются неравномерно. Молния образуется в местах, где напряженность поля неравномерно распределенных зарядов достигает определенного значения. Начинается процесс ударной ионизации, появляются лавины электронов, а далее образуются стримеры, которые переходят в лидеры.

Разряд молнии представляет с собой несколько последовательных импульсов. Траекторию движения и место удара ее предсказать невозможно. Она зависит от поля земли и объектов, расположенных на земле. Известно, что, если под тучей окажется какое-либо сооружение, то молния будет передвигаться к земле по самому короткому пути.

На основе многих исследований были выведены некоторые закономерности поведения молнии. Например, при наличии двух объектов одинаковой высоты под грозовым облаком, разряд будет приходиться на объект, имеющий лучшее заземление и проводимость.

Для полноценной защиты различных объектов от ударов молнии необходимо знать так же параметры, которыми характеризуется это природное явление.

Основными их них являются время ее разряда и время каждого импульса, ток разряда, крутизна фронта импульса. От крутизны фронта импульса зависит величина перенапряжений в электроустановках. На рисунке 1 представлено вероятностное распределение крутизны фронта импульса молнии.

Рисунок 1 - Кривые вероятностного распределения крутизны фронта импульса тока молнии

Величина тока молнии может превышать 200кА, но таких разрядов очень мало. На рисунке 2 приведено вероятностное распределение значений токов молнии.

Рисунок 2 - Кривая вероятностного распределения амплитуды тока молнии

2.      Молниезащита подстанции

Комплексная защита подстанции состоит из внутренней и внешней защиты от грозовых перенапряжений. Однако, если подстанция встроенная или внутрицеховая, то защита может выполняться только внутренняя, так как внешняя защита обеспечивает безопасность от перенапряжения всего здания, которое включает в себя и закрытую подстанцию.

Перенапряжения, вызванные ударом молнии, делятся на два типа: перенапряжения прямого удара и индуцированные перенапряжения. Первый тип характерен для ситуации непосредственного попадания молнии в электроустановку. В этом случае импульсное напряжение зависит от конструкционных особенностей объекта, от величины сопротивления заземления и режима нейтрали. Так же большое влияние оказывают параметры и самой молнии: скорость роста молнии, сопротивление канала молнии. Для защиты от прямого удара используют молниеотводы.

Второй тип перенапряжений характерен при попадании молнии в землю рядом с электроустановкой. Для защиты подстанции от импульсных перенапряжений применяются, например, разрядники, нелинейные ограничители напряжения.

От прямых ударов молнии различные электроустановки, линии электропередач, подстанции, ОРУ и так далее необходимо защищать. Однако существует несколько допущений.

Молниезащита не требуется для)  открытых подстанций 20кВ и 35кВ с трансформаторами единичной мощностью 1,6 МВА и ниже;)  ОРУ и открытых подстанции 20кВ и 35кВ, при условии, что число грозовых часов в году до 20;

c)       ОРУ и открытых подстанции менее 220кВ на площадках с эквивалентным удельным сопротивлением земли в грозовой сезон  , при условии, что число грозовых часов в году до 20.

Закрытые подстанции защищаются от прямых ударов молнии, если число грозовых часов в году превышает 20. Закрытые подстанции, выполненные с помощью металлических покрытий и конструкций, следует защитить заземлением металлических частей. Если закрытые подстанции не имеют такие металлические части и не могут быть заземлены, то необходимо использовать различные молниеотводы или молниеприемники.

подстанция молния перенапряжение электроустановка

3.      защита подстанции от прямого удара молнии. Молниеотвод

Защита от удара молнии уже очень давно волнует человечество. Первые упоминания о способах защиты относятся к императору Августу, который в этих целях использовал шкуру тюленя. Существовали и другие пути сохранения жизни и имущества, но только лишь в 1752-м году Бенжемином Франклином был придуман молниеотвод. Этот метод защиты от грозовых разрядов имел огромную популярность и по сей день сохраняет свою функцию.

Молниеотводы делятся на два вида по типу молниеприемника: стержневые и тросовые. Принцип его действия очень прост. Так как молния бьет в самый высокий объект, которым и является молниеотвод, он принимает на себя прямой удар и отводит электрический ток в землю, тем самым защищая расположенные в зоне его защиты объекты.

3.1    принцип работы молниеотвода

Разберем подробно принцип работы стержневого молниеотвода, который чаще всего используется для защиты зданий и подстанций. На рисунке 3 представлена конструкция простого молниеотвода.

Рисунок 3 - Конструкция стержневого молниеотвода

- молниеприемник; 2 - несущая конструкция; 3 - токопровод; 4 - заземлитель.

К молниеприемникам предъявляются высокие требования. Так как они воспринимают прямые удары молнии, то должны обладать механической и тепловой стойкостью к воздействию электрического тока, а так же должны выдерживать высокую температуру при разряде.

Функция несущей конструкции заключается в соединении всех элементов молниеотвода в прочную и жесткую конструкцию. Так как молниеотводы устанавливаются в непосредственной близости к объектам под напряжением, то не исключены ситуации падения молниеотвода на токоведущие части. Такие ситуации приводят к аварии, порче электрооборудования и т.д. От таких случаев и должна защищать несущая конструкция, которая надежно закрепляет молниеотвод.

Важным показателем молниеотвода является качество его заземления. Эффективность и надежность защиты подстанции зависит от заземлителя. Основная задача его заключается в отводе тока разряда молнии в землю, поэтому его основные характеристики определяются стойкостью к механическому и тепловому воздействию тока, как и молниеприемник. Кроме того, заземлитель должен иметь хорошую стойкость к химически-агрессивной почве, устойчивость к коррозии.

В результате проведения множества опытов было выявлено пространство вокруг молниеотвода, вероятность попадания молнии в которое практически равно нулю. Для эффективной защиты объект должен полностью находиться в зоне защиты молниеотвода. Над самим молниеотводом находится зона, при возникновении молнии в которой, вероятность попадания молнии в стержневой молниеотвод очень велика.

На рисунке 4 представлены зоны защиты и 100%-го поражения молниеотвода.

Рисунок 4 - Зоны защиты и 100%-го поражения молниеотвода

Зона защиты молниеотвода определяется расчетным путем и регулируется правовыми документами (СО153-34.21.122-2003 Инструкция по устройству молниезащиты зданий, сооружений и промышленных коммуникаций). Однако, не для всех молниеотводов формулы расчета одинаковы. Было установлено, что молниеотводы, высота которых превышает шестьдесят метров, поражаются не только на кончике молниеприемника, но и ниже. В связи с этим расчеты несколько меняются. В таблице 1 приведены параметры для определения зон защиты для молниеотводов разной высоты.

Таблица 1. Расчет зоны защиты одиночного стержневого молниеотвода

Так же большое внимание оказывает местность. Частным случаем является установка молниеотвода на местности с уклоном. В таком случае зона защиты искривляется, и вверх по склону оказывается увеличенной, а вниз по склону уменьшенной.

Для увеличения зоны защиты можно поставить несколько молниеотводов. В качестве примера на рисунке 5 изображено два молниеотвода и граница их зоны защиты в горизонтальном и вертикальном сечении.

Рисунок 5 - Зона защиты двух равновысоких стержневых молниеотводов

Расчет зоны защиты производится так же, как и для отдельного молниеотвода, с учетом нормативных документов. В таблице 2 приведены параметры для определения зон защиты для двойных молниеотводов.

Таблица 2. Расчет зоны защиты двойного стержневого молниеотвода