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: 12 из 16

3.1.4 Расчет молниезащиты
Методика расчета
Рассчитать молниезащиту - это значит определить тип защиты, ее зону и параметры (таблица 3.1).

По типу молниезащита (м/з) может быть следующей:

- одностержневой;

- двухстержневой одинаковой или разной высоты;

- многократной стержневой;

- одиночной тросовой;

- многократной тросовой.

По степени надежности защиты различают два типа зон:

А - степень надежности защиты  99,5%;

Б – степень надежности защиты 95…99,5%.

Параметрами молниезащиты являются:

h – полная высота стержневого молниеотвода, м;

h₀ – высота вершины конуса стержневого молниеотвода, м;

h_Х – высота защищаемого сооружения, м;

h_А – активная высота молниеотвода, м;

r₀, r_Х – радиусы защиты на уровне земли и на высоте защищаемого сооружения, м;

h_С – высота средней части двойного стрежневого молниеотвода, м;

2r_С, 2r_Х – ширина средней части зоны двойного стержневого молниеотвода на уровне земли и на высоте защищаемого объекта, м ;

 - угол защиты (между вертикалью и образующей), град;

L – расстояние между двумя стержневыми молниеотводами, м;

а – длина пролета между опорами троса, м;

h_ОП – высота опоры троса, м;

r_Х + r`_Х – ширина зоны тросового молниеотвода на уровне защищаемого сооружения, м;

а+2r_СХ – длина зоны двойного тросового молниеотвода на уровне защищаемого сооружения, м;

а+2r_С – длина зоны двойного тросового молниеотвода на уровне земли, м;

Ожидаемое количество – поражений (N) – молнией в год производится по формулам:

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

,

где h_Х – наибольшая высота здания лил сооружения, м;

n – среднегодовое число ударов молнии в 1 км² земной поверхности в месте нахождения здания или сооружения (т.е. удельная плотность ударов молнии в землю), 1/(км²год), определяется по таблице 3.2;

- для зданий и сооружений прямоугольной формы

,

где А и В – длина и ширина здания сооружения, м.

Примечание. Если здание и сооружение имеют сложную конфигурацию, то А и В – это стороны прямоугольника, в который вписывается на плане защищаемый объект.

Таблица 3.1

. Расчетные формулы молниеотводов при h  150 м.

Зона А	Зона Б
1	2
Одиночные стержневые молниеотводы (рис.3.1.4. 1)
h0 = 0,85h r0 = (1,1 - 210-3h)h rХ=(1,1 - 210-3h)(h-1,2hX)	h0 = 0,92h r0 = 1,5h rХ=1,5(h-1,1hX)
Двойные стержневые молниеотводы одинаковой высоты (рис. 3.1.4.2)
При L  h hC = h0 rCХ = rX rC = r0
При h  L  2h hC = h0 – (0,17+310-4h)(L-h) rC = r0 rCX= rC (hC-hХ) При 2h  L  4h hC = h0 – (0,17+310-4h)(L-h) rC = r0[1- (L-2h)] rCX= rC (hC-hХ) При L  4h Молниеотводы рассматривать как одиночные	При h  L  6h hC = h0 – 0,14(L-h) rC = r0 rCX= rC (hC-hХ) При L  6h Молниеотводы рассматривать как одиночны
Двойные стержневые молниеотводы разной высоты (рис. 3.1.4.3)
Габаритные размеры торцевых областей зон защиты h01, h02, r01, r02, rХ1, rХ2 определяются как для одиночных стержневых молниеотоводов. Габаритные размеры внутренней области зоны защиты определяются по формулам rC = 0,5(r01+ r02); hC =0,5(hС1+ hС2); rХ = (hС – hХ) Значения hС1 и hС2 определяются как для двойных стержневых молниеотводов одинаковой высоты
Многократные стержневые молниеотводы (рис. 3.1.4.4)
Зона защиты строится посредством попарно взятых соседних стержневых молниеотводов. Основным условием защищенности одного или нескольких объектов высотой с надежностью зон А и Б является rCX  0
Одиночные тросовые молниеотводы (рис. 3.1.4.5)
h0 = 0,85h r0 = (1,35 - 2510-4h)h rХ=(1,35 - 2510-4h)(h-1,2hX)	h0 = 0,92h r0 = 1,7h rХ=1,7(h-1,1hX)
Двойные тросовые молниеотводы одинаковой высоты (рис.3.1.4.6)
При L  h hC = h0 rCХ = rX rC = r0
При h  L  2h hC = h0 – (0,14+510-4h)(L-h) r`X = rC = r0 rCX= r0 (hC-hХ)	При h  L  6h hC = h0 – 0,12(L-h) r`X = rC = r0 rCX= rC (hC-hХ)
Двойные тросовые молниеотводы разной высоты (рис. 3.1.4.7)
Значения h01, h02, r01, r02, rХ1, rХ2 определяются по формулам одиночных торосовых молниеотводов. Для определения размеров rC и hC используются формулы rC = 0,5(r01+ r02); hC =0,5(hС1+ hС2) Значения hС1 и hС2, r`X1, r`X2, rCX вычисляются по выше приведенным формулам двойного тросового молниеотвода.

Примечание. Для одиночного тросового молниеотвода h – это высота троса в середине пролета. С учетом провеса троса сечением 35…50 мм² при известной высоте опор (h_ОП) и длине пролета (а) высота троса (в метрах) определяется по формулам

h = h_ОП – 2 – при а  120 м;

h = h_ОП – 3 – при 120  а  150 м.

Таблица 3.2.

Зависимость n = F(t_СР)

tСР, ч/год	10…20	21…40	41…60
n, 1/(км2год)	1	2	4
tСР, ч/год	61…80	81…100	101 и более
n, 1/(км2год)	5,5	7	8,5

Примечание. t_СР – среднегодовая продолжительность гроз, ч/год. Определяется по картам, составленным на основании метеосводок за 10 лет.



Рисунок 3.1.4.1 Зона одиночного стержневого молниеотвода.

Рисунок 3.1.4.2 Зона защиты двойного стержневого молниеотвода равной длины.


Рисунок 3.1.4.3 Зона защиты двойного стержневого молниеотвода разной длины.


Рисунок 3.1.4.4. Зона защиты (в плане) многократного стержневого молниеотвода.



Рисунок 3.1.4.5. Зона защиты одиночного тросового молниеотвода.


Рисунок 3.1.4. 6. Зона защиты двойного тросового молниеотвода.


Рисунок 3.1.4.7.Зона защиты двух тросовых молниеотводов
3. 1.4.1 Примеры расчётов молниезащиты сооружений
Пример 1.
Дано:

h = 50 м

h_X = 20 м

В = 20 м

N = 61/(км²год)

Тип молниезащиты – одностержневая
Требуется:

- определить параметры зон молниезащиты и изобразить их;

- определить габаритные размеры защищаемого объекта;

- определить возможную поражаемость объекта.
Решение:

1. По формулам (таблица 3.1) для одиночного стержневого молниеотвода определяются параметры молниезащиты (м/з) для зон.

В масштабе изображаются зоны А и Б (рис.3.1.4.8)

Зона А:

h₀ = 0,85h = 0,8550 = 42,5 м;

r₀ = (1,1 - 210^-3h)h = (1,1- 210^-350)50 = 50 м;
r_Х = (1,1 - 210^-3h)(h – 1,2 h_Х) = (1,1- 210^-350)(50 - 1,250) = 26м;

h_М = h - h₀ = 50 - 42,5 = 7,5 м;

h_А = h – h_Х = 50 – 20 = 30 м;

^(А) = arctg(r/r₀) = arctg(75/46) = 58^о.
2. Определяются габаритные размеры защищаемого объекта в каждой зоне молниезащиты. Для этого на расстоянии В/2 от средней линии параллельно проводится линия до пересечения с окружностью (рис.3.1.4.8)
Зона А:

^(А) = arcsin(В/2r_X^(А)) = arcsin(20/52) = 22,6^о.

cos^(А) = cos 22,6^о= 0,92;

А^(А) = 2r_X^(А))cos^(А) = 2260,92 = 48 м;

А х В х H = 48 х 20 х 20 м.
Зона Б:

^(Б) = arcsin(В/2r_X^(Б)) = arcsin(20/84) = 13,8^о.

cos^(Б) = cos 13,8^о= 0,97;

А^(Б) = 2r_X^(Б))cos^(Б) = 2420,97 = 81,6 м.

Принимается А = 81 м.

А х В х H = 81 х 20 х 20 м.




Рисунок 3.1.4.8 Зоны защиты одиночного стержневого молниеотвода, h = 50 м.


3. Определяется возможная поражаемость защищаемого объекта в зонах при отсутствии молниезащиты.

N_А = [(В+6h_Х)(А^(А)+6h_Х) – 7,7h_Х²]n10^-6=

=[(20+620)(48+620) – 7,720²]610^-6 =12,310^-2 поражений.
N_Б = [(В+6h_Х)(А^(Б)+6h_Х) – 7,7h_Х²]n10^-6 =

=[(20+620)(81+620) – 7,720²]610^-6 =1510^-2 поражений.

В зоне молниезащиты Б количество поражений в год больше.
Ответ: Параметры зон молниезащиты указаны (рис. 3.1.4.8)

Для зоны А: А х В х H = 48 х 20 х 20 м, N_А =12,310^-2 поражений.

Для зоны Б: А х В х H = 81 х 20 х 20 м, N_Б = 1510^-2 поражений.


Пример 2.
Дано:

Тип молниезащиты – двойная тросовая.

h_ОП1= h_ОП2= 22 м

h_X = 10 м

L = 25 м

а = 40 м

N = 71/(км²год)

Требуется:

- определить параметры зоны А молниезащиты и изобразить её;

- определить габаритные размеры защищаемого объекта;

- определить возможную поражаемость объекта.
Решение:

1. По формулам (таблица 3.1) для двойных тросовых молниеотводов одинаковой высоты определяются м/з для зоны А.

В масштабе зона А изображается на плане (рис.3.1.4.9)

так как а  120 м, то

h = h_ОП -2 = 22 - 2 = 20 м;

h₀ = 0,85h = 0,8520 = 17 м;

r₀ = (1,35 - 2510^-4h)h = (1,35- 2510^-420)20 = 26 м;

h_С = h₀ – (0,14+510^-4h)(L - h) = 17 – (0,14 + 510^-420)(25 – 20) = 16,05 м;

r_С = r₀ = 26 м;

r_СХ = r₀(h_С – h_Х)/ h_С = 26(16,05-10)/16,05 = 9,8 м;

r_Х = (1,35 - 2510^-4h)(h – 1,2 h_Х) = (1,35- 2510^-420)(20 – 1,210) = 10,4 м;
Примечание. При пересечении верхней отметки сооружения с линией в пролете определяется r`_Х.

 = arctg(r₀/h₀) = arctg(26/17) = 56,8^о.
2. Определяются максимальные габариты защищаемого сооружения на

рисунке 3.4.9.

А = а +2 r_СХ = 40 + 29,8 = 59,6 м.

Принимается целое значение А = 59 м.

B = L +2 r_Х = 25 + 210,4 = 45,8 м

Принимается целое значение В= 45 м.

А х В х H = 59 х 45 х 10 м.
3. Определяется возможная поражаемость защищаемого объекта в зоне А при отсутствии молниезащиты.

N = [(В+6h_Х)(А^(А)+6h_Х) – 7,7h_Х²]n10^-6 =

=[(45+610)(59+610) – 7,710²]710^-6 = 8,210^-2 поражений.



Рисунок 3.1.4.9 Зона А защиты двойного тросового молниеотвода одинаковой высоты

Ответ: Параметры зоны А молниезащиты (рис.3.1.4.9)

А х В х H = 59 х 45 х 10 м. N = 8,210^-2 поражений.

2. 
   Индивидуальные задания для расчета молниезащиты
   

В каждом варианте требуется:

- определить параметры зоны молниезащиты и изобразить их;

- определить наибольшие габаритные размеры защищаемого объекта;

- определить возможную поражаемость объекта.

Таблица 3.4

Исходные данные для определения параметров молниезащиты

Вариант	Тип м/з	Зона	hХ,м	В,м	h1,м	h2,м	L,м	а,м	tCР, ч/год
1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
1	1С	А	20	15	40	---	---	---	110
2	2С	Б	20	20	50	50	50	60	100
3	2С	А	20	20	30	50	40	---	20
4	1Т	Б	15	---	32	---	40	---	30
5	2Т	А	15	---	32	32	20	40	40
6	2Т	Б	15	---	32	22	25	30	90
7	1С	Б	20	15	40	---	---	---	80
8	2С	А	10	12	45	25	50	---	50
9	2С	А	10	12	30	30	45	---	60
10	1Т	А	8	---	22	---	30	---	70
11	2Т	Б	8	---	22	27	30	45	110
12	2Т	Б	8	---	17	17	30	35	70
13	1С	А	12	10	35	---	---	---	100
14	2С	Б	15	15	50	50	35	---	60
15	2С	Б	15	15	50	40	40	---	20
16	1Т	А	16	---	27	---	40	---	50
17	2Т	А	12	---	22	27	35	20	30
18	2Т	Б	12	---	27	27	35	25	80
19	1С	А	25	30	60	000	---	---	40
20	2С	Б	16	20	50	40	50	---	90
21	2С	А	16	20	50	50	40	---	90
22	1Т	А	12	---	27	---	30	---	40
23	2Т	Б	8	---	17	22	25	30	80
24	2Т	Б	8	---	27	27	25	20	30
25	1С	А	15	20	50	---	---	---	50
26	2С	Б	16	12	40	40	50	---	20
27	2С	Б	12	16	40	30	50	---	60
28	1Т	А	16	---	27	---	60	---	100
29	1С	Б	20	20	50	---	---	---	80
30	1Т	А	10	---	22	22	25	40	90

Примечание.

L – расстояние между двумя стержневыми молниеотводами (для типа м/з 2С) или расстояние между опорами тросового молниеотвода (для м/з типа Т);

а – длина пролет между опорами троса (для м/з типа 2Т);

h₁, h₂ – высота опор (для м/з типа Т);

1С – одиночная стержневая м/з;

2С – двойная стержневая м/з;

1Т – одиночная тросовая м/з;

2Т – двойная тросовая м/з.

2. 
   Внутренние перенапряжения
   

Перенапряжением называется повышение напряжения до величины, опасной для изоляции электроустановки. Перенапряжения в электрических установках можно подразделить на две группы: коммутационные и атмосферные. Коммутационными перенапряжениями называются перенапряжения, возникающие в электрических установках при изменении режима их работы, например при отключении короткого замыкания, включении или отключении нагрузки, внезапном значительном изменении нагрузки.

Атмосферные перенапряжениявозникают вследствие воздействия на электроустановки грозовых разрядов.
Волны перенапряжений, возникшие на линиях при ударах молнии, распространяются по проводам, доходят до подстанции и могут представлять опасность для изоляции установленного на подстанции оборудования. Такой же опасности могут подвергаться отдельные места на линии, имеющие ослабленную изоляцию или особенно ответственные участки (транспозиционные опоры, пролеты пересечения, переходы через транспортные магистрали, большие реки и т.д.). В этих случаях наряду с защитой от прямых ударов с помощью молниеотводов применяется защита от набегающих волн. Для предупреждения повреждения какой-либо изоляционной конструкции параллельно может быть включен искровой промежуток ИП (рис. 3.2.1,а), вольт-секундная (U_p-t_p) характеристика которого должна лежать ниже U_p-t_p характеристики защищаемой изоляции (рис.3.2.1, соответственно кривые 2 и 1). При соблюдении этого условия падение волны перенапряжений вызовет пробой ИП с последующимрезким падением (“срезом”) напряжения на ИП и защищаемой изоляции.

Рис. 3.2.1. Принцип защиты от набегающих волн:

а – принципиальная схема; б – вольт-амперные характеристики
Вслед за импульсным током через искровой промежуток начнет протекать ток, обусловленный напряжением промышленной частоты электроустановки, - сопровождающий ток, который должен быть отключен с помощью релейной защиты и отключающих аппаратов.

3.2.1 Защитные разрядники

Разрядник – электрический аппарат, предназначенный для ограничения перенапряжений в электротехнических установках и электрических сетях.

Защитные разрядники обеспечивают не только защиту изоляции от перенапряжения, но и гашение дуги сопровождающего тока в течение времени, меньшего, чем время действия релейной защиты.

В последнее время активно внедряются ограничители перенапряжений (ОПН), представляющие собой устройство с варистором, ограничивающим сопровождающий ток практически до нуля. ОПН включают непосредственно, параллельно изоляции, без искрового промежутка.

Существует два основных типа разрядников, отличающихся принципом гашения дуги сопровождающего тока: трубчатые (РТ), в которых гашение дуги осуществляется созданием интенсивного продольного дутья и вентильные (РВ), в которых дуга гаснет благодаря уменьшению сопровождающего тока с помощью нелинейного сопротивления (варистора), включенного последовательно с искровым промежутком или достаточно сложной системой гашения дуги сопровождающего тока.

3.2.1.1. Трубчатые разрядники
Трубчатый разрядник (рис.3.2.2) представляет собой трубку 1 из изолирующего газогенерирующего материала, внутри которой имеется нерегулируемый промежуток S₁, образованный стержневым электродом 2 и фланцем 3. Трубка 1 не рассчитана на длительное нахождение под рабочим напряжением из-за разложения газогенерирующего материала под действием токов утечки. Поэтому разрядник отделяется от рабочего напряжения внешним искровым промежутком S₂.



При перенапряжении в сети оба искровых промежутка пробиваются, и волна перенапряжения срезается. По пути, созданным импульсным разрядом, начинает протекать сопровождающий ток, и искровой разряд переходит в дуговой. Под действием высокой температуры канала дуги материал трубки разлагается с выделением большого количества газов, давление в ней резко возрастает (до нескольких МПа), и газы с силой вырываются через отверстия фланца 3, создавая интенсивное продольное дутье. В результате дуга гаснет при первом прохождении тока через нуль.

При срабатывании разрядника из него выбрасываются раскаленные газы в виде факела длиной 1,5 3,5 м и шириной 12 ,5 м и раздается звук, напоминающий выстрел. Поэтому для предупреждения междуфазных замыканий при монтаже разрядников нужно следить, чтобы в зону выхлопа не попадали токоведущие части соседних фаз.

Напряжение срабатывания разрядников можно регулировать, изменяя расстояние внешнего искрового промежутка S₂, но нельзя снижать ниже определенного минимума (табл. 3.2.1), так как это вызывает слишком частые срабатывания и повышенный износ разрядника.