Статья: Защита электрических подстанций от прямых ударов молнии

Защита электрических подстанций от прямых ударов молнии

Нефедова Ксения Владимировна

Аннотация

ЗАЩИТА ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПОДСТАНЦИЙ ОТ ПРЯМЫХ УДАРОВ МОЛНИИ

Нефедова Ксения Владимировна,

ФГБОУ ВО "Уральский государственный горный университет" г. Екатеринбург.

Воздействие молнии может привести к серьезным последствиям, как отключение участка электроснабжения, так и расстройство сложного технологического процесса. 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.

Ключевые слова: Молния, молниеотводы, прямой удар молнии, вторичное действие молнии.

Abstract

PROTECTION OF ELECTRIC SUBSTATIONS FROM DIRECT STROKES OF THE LIGHTNING

Nefedova Ksenia Vladimirovna,

Ural State Mining University, Yekaterinburg.

The impact of lightning can lead to serious consequences, such as the disconnection of the power supply area, and the breakdown of the complex technological process. The necessity and importance of protection against lightning strikes of electrical installations, power lines, buildings and structures is growing along with an increase in the need to increase the generated capacity to meet the needs of consumers.

Keywords: Lightning, lightning conductors, direct lightning strike, secondary lightning action.

Содержание статьи

Молния - это природное явление, представляющее собой мощный электрический разряд. Это большая угроза не только для жизни человека, но и для его имущества.

Молниезащита ? это совокупность мероприятий, направленных на снижение материального ущерба и травматизма людей от ударов молний.

Открытые распределительные устройства (ОРУ) и открытые подстанции 20-500 кВ должны быть защищены от прямых ударов молнии (ПУМ).

Допускается не защищать:

? подстанции 20 и 35 кВ с трансформаторами мощностью 1,6 МВА и менее независимо от числа грозовых часов в году;

? ОРУ и подстанции 20 и 35 кВ в районах с числом грозовых часов в году не более 20.

Здания закрытых распределительных устройств (ЗРУ) и закрытых подстанций следует защищать от прямых ударов молнии в районах с числом грозовых часов более 20.

Установка молниеотводов на зданиях ЗРУ не является обязательной. В случае выполнения кровли здания полностью из металла или применения металлических несущих конструкций достаточно заземлить металлические части кровли. Плоскую неметаллическую или железобетонную кровлю защищают наложением молниеприемной сварной сетки из стальной проволоки непосредственно на кровлю или под слой негорючего утеплителя или гидроизоляции. При этом для предотвращения нежелательной разности потенциалов между различными металлическими элементами здания (трубы, вентиляционные устройства, заземляющие спуски и пр.) они должны быть соединены между собой.

Открытые распределительные устройства электростанций и подстанций защищаются от прямых ударов молнии стержневыми молниеотводами и только для защиты протяженных шинных мостов и гибких связей применяются тросовые молниеотводы.

Защита открытых распределительных устройств от прямого удара молнии может быть осуществлена установкой стержневых молниеотводов на порталах подстанции или устройством отдельно стоящих стержневых молниеотводов со своими обособленными заземлителями.

Молниеотводы, установленные на порталах подстанций, требуют меньше металла на изготовление, чем отдельно стоящие молниеотводы. Они ближе располагаются к защищаемому оборудованию, поэтому эффективнее используются их защитные зоны. Но при поражении молниеотвода, установленного на портале открытого распределительного устройства, значительно возрастает напряжение.

Отдельно стоящие молниеотводы значительно надежнее, но при этом дороже. При выборе защиты от прямого удара молнии ОРУ подстанций определяется оптимальный вариант защиты. Для этого сопоставляется стоимость молниезащиты из молниеотводов, установленных на конструкциях подстанции, или из отдельно стоящих молниеотводов с обособленными заземлителями, с ущербом, который может принести поражение ОРУ молнией [3].

Исходя из вероятности поражения защищаемого объекта молнией, масштаба возможных разрушений и ущерба, устанавливают три категории зданий и сооружений (I, II, III) и два типа (А и Б) зон защиты объектов от прямых ударов молнии. Зона защиты типа А обеспечивает перехват на пути к защищаемому объекту не менее 99,5 % молний, а типа Б - не менее 95 %.

Среднегодовая продолжительность гроз в произвольном пункте на территории РФ определяется по карте "Средняя продолжительность за год гроз в часах для территории РФ".

Подсчет ожидаемого количества N поражений молнией в год производится по формулам:

для сосредоточенных зданий и сооружений (дымовые трубы, вышки, башни):

N = 9рh² n•10^-6

для зданий и сооружений прямоугольной формы:

N = [(S+6h)(L+6h) - 7,7 • h²]n•10^-6

где h - наибольшая высота здания или сооружения, м;

S, L - соответственно ширина и длина здания или сооружения, м;

n - среднегодовое число ударов молнии в 1 км ² земной поверхности (удельная плотность, ударов молнии в землю) в месте нахождения здания или сооружения.

Для зданий и сооружений сложной конфигурации в качестве S и L рассматриваются ширина и длина наименьшего прямоугольника, в который может быть вписано здание или сооружение в плане [1].

Удельная плотность ударов молнии в землю n определяется исходя из среднегодовой продолжительности гроз в часах следующим образом:

Таблица 1. Зависимость среднегодового числа ударов молнии в 1 км ² земной поверхности от интенсивности грозовой деятельности

К I категории отнесены производственные помещения, в которых в нормальных технологических режимах могут находиться и образовываться взрывоопасные концентрации газов, паров, пылей, волокон. Любое поражение молнией, вызывая взрыв, создает повышенную опасность разрушений и жертв не только для данного объекта, но и для близ расположенных. Это сооружения, в которых имеются взрывоопасные зоны классов В-I и В-II согласно Правилам устройства электроустановок (ПУЭ).

Во II категорию попадают производственные здания и сооружения, в которых появление взрывоопасной концентрации происходит в результате нарушения нормального технологического режима, а также наружные установки, содержащие взрывоопасные жидкости и газы. Для этих объектов удар молнии создает опасность взрыва только при совпадении с технологической аварией или срабатыванием дыхательных или аварийных клапанов на наружных установках. Благодаря умеренной продолжительности гроз на территории РФ вероятность совпадения этих событий достаточно мала. К этой категории пол молниезащите относят здания и сооружения (или их части), в которых имеются взрывоопасные зоны классов В-Iа, В-Iб, В-IIа согласно ПУЭ.

К этой же категории принадлежат наружные технологические установки и открытые склады, содержащие взрывоопасные газы и пары, горючие и легковоспламеняющиеся жидкости (газгольдеры, цистерны и резервуары, сливо-наливные эстакады и т. п.), относимые по ПУЭ к взрывоопасным зонам класса В-Iг.

К III категории отнесены объекты, последствия, поражения которых связаны с меньшим материальным ущербом, чем при взрывоопасной среде. Сюда входят здания и сооружения с пожароопасными помещениями или строительными конструкциями низкой огнестойкости, причем для них требования к молниезащите ужесточаются с увеличением вероятности поражения объекта (ожидаемого количества поражений молнией). Кроме того, к III категории отнесены объекты, поражение которых представляет опасность электрического воздействия на людей и животных: большие общественные здания, животноводческие строения, высокие сооружения типа труб, башен, монументов. Наконец, к III категории отнесены мелкие строения в сельской местности, где чаще всего используются сгораемые конструкции. Согласно статистическим данным на эти объекты приходится значительная доля пожаров, вызванных грозой. Из-за небольшой стоимости этих строений их молниезащита выполняется упрощенными способами, не требующими значительных материальных затрат.

В III категорию входят:

? здания и сооружения с пожароопасными зонами классов П-I, П-II, П-IIа согласно ПУЭ;

? открытые склады твердых горючих веществ и наружные технологические установки, в которых применяют или хранят горючие жидкости с температурой вспышки паров выше 61єС, относимые по ПУЭ к классу П-III;

? здания и сооружения III, IV и V степени огнестойкости, в которых отсутствуют производства с зонами, относимыми по ПУЭ к классам пожаро- и взрывоопасным;

? жилые и общественные здания, возвышающиеся на 25 м и более над средней высотой окружающих зданий в радиусе 400 м, а также отдельно стоящие здания высотой более 30 м, удаленные от других зданий на 400 м и более;

? общественные здания III, IV и V степени огнестойкости следующего назначения:

- детские сады и ясли, школы и школы-интернаты, спальные корпуса и столовые санаториев, домов отдыха, лечебные корпуса больниц, клубы, кинотеатры;

? здания и сооружения, являющиеся памятниками истории и куль - туры;

? дымовые трубы предприятий и котельных, водонапорные и силосные башни, вышки различного назначения высотой более 15 м [2].

Молниеотвод - устройство, воспринимающее удар молнии и отводящее ее ток в землю.

Конструктивно молниеотводы подразделяются на следующие виды:

1. Стержневые - с вертикальным расположением молниеприемника.

2. Тросовые - с горизонтальным расположением молниеприемника, закрепленного на двух опорах.

3. Сетки - многократные горизонтальные молниеприемники, пересекающиеся под прямым углом и укладываемые на защищаемое здание.

Одиночный стержневой молниеотвод - один вертикальный молниеотвод, устанавливаемый на защищаемом сооружении или вблизи него. В последнем случае он носит название - отдельно стоящий стержневой молниеотвод.

Двойной стержневой молниеотвод - два одиночных стержневых молниеотвода, совместно действующих и образующих общую зону защиты.

Многократный стержневой молниеотвод - три и более одиночных стержневых молниеотвода, совместно действующих и образующих общую зону защиты.

Одиночный тросовый молниеотвод - устройство, образуемое горизонтальным тросом, закрепленным на двух опорах, по каждой из которых прокладывается токоотвод, присоединяемый к отдельному заземлителю у их основания.

Двойной тросовый молниеотвод - два одиночных тросовых молниеотвода, совместно действующих и образующих общую зону защиты [1].

Стандартный молниеотвод состоит из нескольких элементов: (рис. 1)

1. Молниеприемник стержневого типа (1).

2. Несущая конструкция (2).

3. Токоотвод (3).

4. Заземляющее устройство (4).

Рис. 1. Конструкция молниеотвода

Молниеприемник представляет собой главную "цель" для молнии. Поэтому данный элемент рассчитан на то, чтобы выдерживать воздействия мощных импульсных токов молнии, а также значительные механические нагрузки. На несущую конструкцию молниеотвода устанавливается молниеприемник и крепится токоотвод. Все части громоотвода объединены в прочную и жесткую конструкцию, способную отлично противостоять ветровым нагрузкам, а также прямым ударам молнии. Благодаря несущей конструкции громоотвода, имеющей достаточную механическую прочность и повышенной устойчивостью, исключается падение молниеотвода на энергооборудование и аппаратуру электрических подстанций.

При помощи токоотвода осуществляется соединение молниеприемника и заземляющего устройств: именно токоотвод обеспечивает прохождение импульсных грозовых токов от молниеотвода до заземляющего устройства. Поэтому токоотвод изготавливается с большим запасом прочности, с учётом запредельных тепловых и электродинамических перегрузок, источником которых является ток молнии. Заземляющее устройство необходимо для отвода разряда в землю и уменьшения до приемлемого уровня разности потенциалов в элементах молниеотвода.

Качество молниезащиты энергообъектов напрямую связано с состоянием заземляющего устройства, а также его конструктивного исполнения. В реальных условиях заземлители могут находиться в различных условиях: сухая почва или влажный грунт, пропитанный солями и кислотами, которые оказывают основное влияние на электропроводимость земли. В тоже время кислоты и соли способствуют усиленной электрохимической коррозии металлических частей заземлителя. Поэтому подбор эффективных материалов и выбор оптимальной конструкции заземляющего устройства должен проводиться с учётом реальных условий, в которых заземляющее устройство будет эксплуатироваться.

Защита территории подстанций от прямых ударов молнии осуществляется отдельностоящими стержневыми молниеотводами и молниеотводами, установленными на порталах.

Отдельно стоящие стержневые молниеотводы с металлическими опорами устанавливаются на железобетонных фундаментах. Токоотводами для таких молниеотводов служат несущие конструкции.

На порталах стержневые молниеотводы устанавливаются обычно в виде стальной трубы, нередко состоящей из труб нескольких диаметров.