учебное пособие. Учебное пособие ТВН. Учебное пособие для студентов, обучающихся по направлению подготовки Электроэнергетика и электротехника

• Название: Учебное пособие для студентов, обучающихся по направлению подготовки Электроэнергетика и электротехника
• Анкор: учебное пособие
• Дата: 23.05.2022
• Размер: 5.05 Mb.
• Имя файла: Учебное пособие ТВН.doc
• Тип: Учебное пособие; #544213
• страница: 11 из 16

Глава 3. МОЛНИЕЗАЩИТА И ГРОЗОВЫЕ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЯ. ВНУТРЕННИЕ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЯ. КООРДИНАЦИЯ ИЗОЛЯЦИИ

3.1. Молниезащита и грозовые перенапряжения

3.1.1 Молниеотводы и их защитное действие

Гроза – это природное явление, состоящее из нескольких элементов. Наиболее опасный из них – молния. Защита от молнии и её возможных последствий и называется молниезащитой. Термины "грозозащита" и "громоотвод" являются общеупотребительными, обиходными. Термины "молниезащита" и "молниеотвод" являются профессиональными и отражают суть явления и предназначение устройства.

Защита от прямых ударов молнии РУ, линий электропередачи, а также некоторых зданий осуществляется стержневыми или тросовыми молниеотводами.
В 1753 году в Филадельфии был установлен первый молниеотвод.

Молниеотвод. Молниеотводом называют устройство, воспринимающее прямой удар молнии с целью защиты сооружения. Защита от прямых ударов молнии осуществляется с помощью молниеотводов различных типов: стержневых, тросовых, сетчатых, комбинированных (например, тросово-стержневых). Стержневые молниеотводы выполняются в виде отдельно стоящих или укреплённых на зданиях и конструкциях подстанций. Наиболее часто применяют стержневые молниеотводы, тросо­вые используют в основном для защиты длинных и узких сооружений. Защит­ное действие молниеотвода в виде сетки, накладываемой на защищаемое сооружение, аналогично действию обычного молниеотвода. Определение защитных зон молниеотводов основывается на лабораторных исследованиях и статистических данных грозовой защиты электрических установок

Над проводами воздушных линий для защиты их от атмосферных перенапряжений подвешиваются грозозащитные тросы. Обычно используют тросы из сталеалюминевых проводов. На линиях напряжением 220 кВ и выше применяют расщепление проводов - подвешивают несколько проводов в фазе. Этим достигается уменьшение напряженности электрического поля около проводов и ослабление ионизации воздуха (короны). Расстояние между проводами расщепленной фазы составляет около 40 см. Для фиксирования вдоль линии устанавливают специальные распорки между проводами расщепленной фазы.


Стержневой молниеотвод состоит из 4-х частей: молниеприемника(1), несущей конструкции (2), токоотвода (3) и заземлителя(4) (рис 3.1.1)

Молниеприемник непосредственно воспринимает прямой удар молнией, который по токоотводу уходил в землю.



Рис. 3.1.1 Стержневой молниеотвод

Несущая конструкция может быть выполнена в виде деревянной, металлической или железобетонной опоры.

Высота молниеотводов: 15; 20; 25; 30; 35; 40; 45; 50; 55; 60; 65; 70; 75м.

Тросовой молниеотвод: стальной многопроволочный оцинкованный канат АМ 15; 20; 25;30 до 75.

Над молниеотводом существует зона в виде перевернутого конуса с радиусом r =3,5h (где h – высота молниеотвода), в которой происходит 100% поражение молниеотвода грозовым разрядом.

Вокруг молниеотвода имеется зона не поражаемая грозовыми зарядами «ШАТЕР», которая называется зоной защиты молниеотвода (рис.3.1.2)

h – высота молниеотвода; Н – высота ориентировки молнии.



Рис. 3.1.2 Зона защиты молниеотвода




Рис. 3.1.3 Граница защитной зоны молниеотвода

Исследование молнии указывают на то, что защитное действие молниеотводов начинает ещё в стадии лидерного разряда молнии. С некоторого момента канал лидерного разряда молнии начинает ориентироваться на молниеотвод. Это вызвано тем, что к этому моменту напряженность электрического поля сильно возрастает и начинает сказываться взаимодействие зарядов лидера и зарядов, наведённых вследствие электростатической индукции на молниеотводе. Расстояние между головкой лидера и уровнем земли, при которой начинает сказываться поле заземлённых объектов, принято называть высотой ориентировки; её обозначают через Н, а высоту молниеотвода – черезh. Высота ориентировки молнии меняется в широких пределах в зависимости от атмосферных и геологических условий. Для высоких молниеотводов можно считать, что Н приближается высоте грозового облака; с уменьшением высоты молниеотводов снижается и высота Н. Принято для молниеотводов с высоты h 30м брать отношение Н/h постоянным и равным 20 (для стержневых) и 10 (для тросовых) молниеотводов; для стержневых молниеотводов h>30м высоту Н принимают равной 600м. Высота защищаемого объекта обозначается через h , а разность h- h , т.е. превышение молниеотвода над защищаемым объектом, через h . Эту разность называют активной высотой молниеотвода.

3.1.2 Общие требования к устройству молниезащиты зданий и сооружений (Руководящие документы по молниезащите (РД 34.21.122-87, СО 153-34.21.122-2003) и по электроснабжению (ПУЭ издание 7)

1. 
   Устройство молниезащиты (молниеотводы) должны включать в себя молниеприемники, непосредственно воспринимающие удар молнии, токоотводы и заземлители.
   
2. 
   Стержневые молниеприемники должны быть изготовлены из стали (круглой, полосовой, угловой, трубной) любой марки сечением не менее 200 мм , длиной не менее 500 мм и укреплены на самом защищаемом здании или сооружении. Тросовые молниеприемники должны быть изготовлены из стальных многопроволочных тросов сечением не менее 50 мм
   
3. 
   Токоотводы, соединяющие молниеприемники всех видов с заземлителями, следует выполнять из стали.
   
4. 
   Молниеприёмная сетка должна быть выполнена из оцинкованных стальных проводников диаметром не менее 8 мм, уложена на неметаллическую кровлю зданий сверху или под несгораемые или трудносгораемые утеплитель или гидроизоляцию. Размер ячеек должен быть не боле 6 6 м. Сетка в узлах должна быть соединена сваркой. В зданиях с покрытием по металлическим фермам или балконам молниеприёмную сетку на кровле не укладывают. В этом случае несущие конструкции покрытия должны быть связаны токоотводами из стальных стержней марки А1 диаметром 12 мм. Все металлические детали, расположенные на кровле (трубы, вентиляционные устройства, водосточные воронки и т.п.) должны быть соединены с молниеприёмной сеткой молниеотводами.
   
5. 
   При прокладке молниеприёмной сетки и установке молниеотводов следует использовать на защищаемом объекте всюду, где это возможно, в качестве токоотводов металлические конструкции зданий и сооружений (колонны, фермы, рамы, пожарные лестницы и т.п., а также арматуру железобетонных конструкций) при условии непрерывной электрической связи в соединениях конструкций и арматуры с молниеприёмниками и заземлителями, выполняемых, как правило, сваркой.
   

Установку молниеприёмной сетки, отдельно стоящих, крышных и пристенных молниеотводов, а также углублённых заземлителей, выполняют строительные организации.

3.1.3 Категории устройства молниезащиты и тип зоны защиты

Здания и сооружения или их части в зависимости от назначения, интен­сивности грозовой деятельности в районе местонахождения, ожидаемого количества поражений молний в год следует защищать в соответствии с кате­гориями устройства молниезащиты и типом зоны защиты.

Защитное действие молниеотвода основано на свойстве молнии поражать наиболее высокие и хорошо заземленные металлические сооружения. Благо­даря этому защищаемое здание, более низкое по сравнению с молниеотводом по высоте, практически не будет поражаться молнией, если всеми своими ча­стями оно будет входить в зону защиты молниеотвода. Зоной защиты молни­еотвода считается часть пространства вокруг молниеотвода, обеспечивающая защиту зданий и сооружений от прямых ударов молнии с определенной сте­пенью надежности.

Наименьшей и постоянной по величине степенью надеж­ности обладает поверхность зоны защиты; по мере продвижения внутрь зоны надежность защиты увеличивается. Тип зоны защиты: А и Б. Зона защиты типа А обладает степенью надежности 99,5 % и выше, а типа Б — 95 % и выше.

Общая схема расчета молниезащитных устройств:

- производится количествен­ная оценка вероятности поражения молнией защищаемого объекта, расположенного на равнинной местности с достаточно однородными грунтовыми условиями на площадке, занятой объектом, т. е. определяется ожидаемое число поражений молнией (N) в год защищаемого объекта;

- в зависимости от категории устройства молниезащиты и полученного значения ожидаемого числа поражений молнией в год защищаемого объекта определяется тип зоны защиты; рассчитываются взаимные расстояния между попарно взятыми молниеотводами и производятся вычисления параметров зон защиты на заданной высоте от поверхности земли.

В зависимости от типа, количества и взаимного расположения молниеотво­дов зоны защиты могут иметь самые разнообразные геометрические формы. Оценка надежности молниезащиты на различных высотах производится про­ектировщиком, который в случае необходимости уточняет параметры молниезащитного устройства и решает вопрос о необходимости дальнейшего расчета.

Производственные, жилые и общественные здания и сооружения в зависи­мости от их конструктивных характеристик, назначения и значимости, веро­ятности возникновения взрыва или пожара, технологических особенностей, а также от интенсивности грозовой деятельности в районе их местонахождения подразделяют на три категории по устройству молниезащиты:

I. Производственные здания и сооружения со взрывоопасными помещени­ями классов В-1 и В-2 по ПУЭ (к данной категории относятся также здания
электростанций и подстанций).

II. Другие здания и сооружения со взрывоопасными помещениями, не относимые к I категории.

III. Все остальные здания и сооружения, в том числе пожароопасные помещения.

Для оценки грозовой деятельности в различных районах страны используется карта распределения среднего числа грозовых часов в году, на которой нанесены линии равной продолжительности гроз или данные местной метео­рологической станции (ПУЭ)

Вероятность поражения молнией какого-либо объекта зависит от интен­сивности грозовой деятельности в районе его расположения, высоты и пло­щади объекта и некоторых других факторов и количественно оценивается ожидаемым числом поражений молнией в год.

Для зданий и сооружений, не оборудованных молниезащитой, число поражений определяют по формуле:

(3.1)

где п — среднегодовое число ударов молнии на 1 км² земной поверхности в месте расположения объекта, значения п при равной интенсивности грозовой деятельности определяют по таблицам ПУЭ; Sи L— соответственно ширина и длина защищаемого здания (сооружения), имеющего в плане прямоугольную форму, м; h— наибольшая высота защищаемого объекта, м.
Для зданий сложной конфигурации при расчете N в качестве S, Lприни­мают ширину и длину наименьшего прямоугольника, в который может быть вписано здание в плане.

По категории устройства молниезащиты и ожидаемому числу поражений молнией в год защищаемого объекта определяют тип зоны защиты. Здания и сооружения, от­носящиеся к категории I, подлежат обязательной молниезащите; зона защиты должна обладать степенью надежности 99,5% и выше (зона защиты типа А). Зоны за­щиты для зданий и сооружений, относящихся ко II категории, рассчитывают по типу А, если N > 1, и по типу Б в противном случае. Зоны, относящиеся к категории III, рассчитывают по типу А, если N> 2, и по типу Б, если N< 2. Это касается только зда­ний и сооружений, которые относятся к взрыво- и пожароопасным, для всех осталь­ных объектов этой категории независимо от значения N принимается зона защиты типа Б.

Расчет молниезащиты зданий и сооружений заключается в определении границ зоны защиты молниеотводов, которая представляет собой пространст­во, защищаемое от прямых ударов молнии. Зона защиты одиночного стерж­невого молниеотвода высотой h < 150 м представляет собой круговой конус, который в зависимости от типа зоны защиты характеризуется следующими га­баритами:

з она А:
(3.2)

з она Б:
(3.3)
где h_о — вершина конуса зоны защиты, м;

r₀ — радиус основания конуса на уровне земли, м;

r_х - радиус горизонтального сечения зоны зашиты на высо­те h_хот уровня земли, м;

h_x — высота защищаемого сооружения, м.
Зона защиты одиночного стержневого молниеотвода в плане графически изображается окружностью соответствующего радиуса. Центр окружности на­ходится в точке установки молниеотвода.

Зона защиты двойного стержневого молниеотвода высотой до 150 м при расстоянии между молниеотводами, равном L (рис. 3.1.4). Из рисунка видно, что зона защиты между двумя стержневыми молниеотводами имеет значительно большие размеры, чем сумма зон защиты двух одиночных молниеотводов. Часть зоны защиты между стержневыми молниеотводами в сечении, проходящем через оси молниеотводов, является совместной, а ос­тальные ее части называются торцевыми.

Определение очертаний торцевых частей зоны защиты выполняется по расчетным формулам, используемым для построения зоны защиты одиночных молниеотводов, т. е. габариты h₀, r₀, r_х], r_х2(рис.3.1.4)определяют в зависимости от типа зоны защиты по формулам (3.2) или (3.3). В плане торцевые части пред­ставляют собой полуокружности радиусом r₀или r_х, которые ограничиваются плоскостями, проходящими через оси молниеотводов перпендикулярно ли­нии, соединяющей их основания.

Совместная часть зоны защиты ограничивается сверху ломаной линией, которую можно построить по трем точкам: две из них лежат на молниеотво­дах на высоте h₀, а третья расположена посередине между ними на высоте h_с. Очертания зоны защиты в сечении 1—2 (рис.3.4.1) определяют по прави­лам и формулам, принятым для одиночных стержневых молниеотводов.



Рис. 3.1.4Зоны защиты двойного стержневого
Зоны защиты двойного стержневого молниеотвода имеют следующие габа­риты:

1. Зона А (существует при L < Зh, в противном случае молниеотводы рас­сматриваются как одиночные):

При
При (3.4)

2. Зона Б (существует при L < 5А, в противном случае молниеотводы рас­сматриваются как одиночные):

При

При (3.5)

где L— расстояние между молниеотводами, м; А_с — высота зоны защиты по­середине между молниеотводами, м; _сr_с— ширина совместной зоны защиты в сечении А—А (1-2) на уровне земли, м; r_сх — ширина горизонтально­го сечения совместной зоны защиты в сечении А—А на высоте hот уровня.

Основное условие наличия совместной зоны защиты двойного стержнево­го молниеотвода — выполнение неравенства r_сх> 0. В этом случае конфигу­рация совместной зоны защиты в плане представляет собой две равнобедрен­ные трапеции, имеющие общее основание длиной 2r_сх, которое лежит посередине между молниеотводами. Другое основание трапеции имеет длину 2r_х. Линия, соединяющая точки установки молниеотводов, перпендикулярна основаниям трапеции и делит их пополам. Если r_сх = 0, совместная зона за­щиты в плане представляет собой два равнобедренных треугольника, основа­ния которых параллельны между собой, а вершины лежат в одной точке, на­ходящейся посередине между молниеотводами. Если r _сх < 0, построение зоны защиты не производится.

Объекты, расположенные на достаточно большой территории, защищают несколькими молниеотводами (многократный молниеотвод). Для определе­ния внешних границ зоны защиты многократных молниеотводов используют­ся те же приемы, что и для одиночного или двойного стержневых молниеот­водов. При этом для расчета и построения внешних очертаний зоны молниеотводы берут попарно в определенной последовательности. Основным условием защищенности одного или группы сооружений высотой h_хс надеж­ностью, соответствующей зонам защиты А и Б, является выполнение неравен­ства r_сх > 0 для всех попарно взятых молниеотводов.

Для защиты длинных и узких сооружений, а также в некоторых других слу­чаях используют одиночные тросовые молниеотводы.

Зона защиты, образованная взаимодействием тросового и стержневых (одиночных или двойных) молниеотводов, определяется так же, как и зона за­щиты многократного стержневого молниеотвода. При этом опоры тросового молниеотвода приравниваются к стержневым молниеотводам высотой hи ра­диусом основания зоны защиты r, зависящим от типа зоны защиты.