Защита электрической подстанции от прямых ударов молнии

Размещено на http://www.allbest.ru

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«ИВАНОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМ. В.И.ЛЕНИНА»

Кафедра высоковольтных электроэнергетики, электротехники и электрофизики

Пояснительная записка

к курсовому проекту на тему:

«Защита электрической подстанции от прямых ударов молнии»

Выполнил:

ст. гр.4-25

Кокурин А.Н.

Проверил:

проф., к.т.н. Горячкин С.Н.

Иваново 2013

СОДЕРЖАНИЕ

Введение

1. Требования к молниезащите подстанции

2. Размещение молниеотводов

3. Расчет зон защит молниеотводов

3.1 Зоны защиты двух стержневых молниеотводов одинаковой высоты

3.2 Зоны защиты двух стержневых молниеотводов разной высоты

3.3 Зоны защиты тросовых молниеотводы одинаковой высоты

4. Конструктивное исполнение заземляющего устройства подстанции

5. Расчет сопротивления заземления молниеотводов

5.1 Расчет заземлителя отдельно стоящего молниеотвода

5.2 Расчет заземлителя портального молниеотвода

6. Оценка надежности защиты ОРУ подстанции от прямых ударов молнии

Заключение

Список использованной литературы

ВВЕДЕНИЕ

Целью данного курсового проекта является создание системы защиты от прямых ударов молнии электрической подстанции 220/110/10 кВ. Для этого необходимо выбрать тип, количество и расположение молниеотводов, рассчитать их зоны защиты. Затем произвести расчет сопротивлений заземлений отдельно стоящих и портальных молниеотводов и произвести оценку эффективности защиты ОРУ подстанции от прямого удара молнии.

1. ТРЕБОВАНИЯ К МОЛНИЕЗАЩИТЕ ПОДСТАНЦИИ

Молниезащита подстанции должна выполнятся в соответствии с требованиями ПУЭ и других руководящих документов[4,5].

Защита электрической подстанции выполняется с помощью стержневых и тросовых молниеотводов, подключенных к заземляющему устройству. молниеотвод подстанция защита заземляющий

Защитное действие молниеотводов основано на избирательном свойстве молнии поражать более высокие и хорошо заземленные объекты по сравнению с расположенными рядом сооружениями меньшей высоты.

Назначение молниеотводов - воспринять подавляющее число ударов молнии в пределах защищаемой территории и отвести ток молнии в землю.

От прямых ударов молнии на данной подстанции должны быть защищены:

- ОРУ, в том числе шинные мосты и гибкие связи,

- ОПУ,

- ЗРУ,

- маслосборник,

- компрессорная,

- токоограничивающие реакторы 10 кВ,

- силовые трансформаторы 220/110/10 кВ.

Все здания и сооружения, находящиеся на территории подстанции, должны быть защищены от прямых ударов молний с помощью молниеотводов или другими способами.

2. РАЗМЕЩЕНИЕ МОЛНИЕОТВОДОВ

В данном курсовом проекте для защиты здания ОПУ от прямого удара молнии применяется заземление металлических частей кровли. Плоскую неметаллическую или железобетонную кровлю защищаем наложением плоской сварной сетки с размером ячейки не более 6х6 м из стальной проволоки диаметром не менее 6 мм непосредственно на кровлю или под слой негорючего утеплителя или гидроизоляции.

Для защиты ОРУ от прямых ударов молнии применяем стержневые и тросовые молниеотводы. Последние используются для защиты подходов ВЛ.

Молниеотводы размещены на металлических и железобетонных конструкциях ОРУ.

От стоек ОРУ 220 кВ с молниеотводами необходимо обеспечить растекание тока молнии по магистралям заземления не менее чем в двух направлениях с углом не менее 90 ° между соседними. Кроме того, должно быть установлено не менее одного вертикального электрода длиной 3- 5 метров на каждом направлении на расстоянии не менее длины электрода от места присоединения магистрали заземления стойки с молниеотводом.

Тросы ВЛ 220 кВ присоединяются к линейным порталам ОРУ при обеспечении растекания тока молнии по магистралям заземления по двум - трем направлениям с углом не менее 90° между ними.

Также выполняем установку отдельно стоящих молниеотводов на осветительных мачтах, с обособленными заземляющими устройствами в тех местах, где при установке молниеотводов на конструкциях ОРУ необходимая грозоупорность не может быть достигнута.

Сопротивление заземления молниеотвода установленного на портале определяется сопротивлением заземления части контура подстанции в радиусе 20 метров от места присоединения к заземлителю заземляющего спуска молниеотвода.

Расстояние по воздуху l_в от отдельно стоящего молниеотвода с обособленным заземлителем до токоведущих частей ОРУ, а также до ЗРУ, зданий и сооружений выбираем по условию:

,

,

где H - высота до точки возможного перекрытия над уровнем земли,

а R_з - сопротивление отдельно стоящего молниеотвода, значение которого должно быть не более 10 Ом.

3. РАСЧЕТ ЗОН МОЛНИЕЗАЩИТЫ МОЛНИЕОТВОДОВ

Методика выбора системы молниеотводов основана на понятии зоны защиты, под которой понимается некоторое пространство в окрестностях молниеотвода, внутри которого любое сооружение защищено от прямых ударов молнии с надежностью не ниже заданной.

Расчет зон защиты производится по методике, изложенной в нормативных документах [4,5] для надежности защиты 0.99.

3.1 Зоны защиты двух стержневых молниеотводов одинаковой высоты

Рис. 3.1. Зона защиты двойного стержневого молниеотвода:

1-границы зоны защиты на уровне ;

2- то же на уровне земли

Всю территорию подстанции разбиваем по кратчайшему расстоянию на треугольники, в вершинах которых находятся молниеотводы. Расчет ведется для двойных молниеотводов, образующих сторону треугольника. Тогда при оборудование ОРУ на площади, ограниченной сторонами треугольника, будет находиться в зоне защиты на заданной высоте и защищено от прямых ударов молнии с заданной степенью надежности.

Молниеотвод считается двойным, когда расстояние между молниеотводами не превышает предельной величины L_max.

Построение внешних областей зон двойных молниеотводов высотой

h?30 м производится по следующим формулам:

,

где h-высота молниеотвода, м;

.

Размеры внутренних областей определяются следующими параметрами:

, .

При расстоянии между молниеотводами граница зоны не имеет провеса .

Для расстояний высота определяется по выражению

.

Максимальная полуширина зоны в горизонтальном сечении на высоте

;

Полуширина горизонтального сечения в центре между молниеотводами на высоте

Пример расчета зоны защиты между молниеотводами №2-№8 на высоте

м.

При выборе высоты молниеотвода надо учитывать, что крепление молниезащитного троса к линейному порталу производится на высоте по вертикали над точкой крепления фазного провода линии к порталу для 220 кВ - 5.5-6м. Высота линейного портала составляет 16.7 м, поэтому высоту молниеотводов с учетом длины молниеприемника принимаем м.

м,

м,

м,

м, м;

, значит м;

м.

Полученные результаты расчета параметров зон защиты молниеотводов на высоте линейных порталов h_x =16.7 м сведены в табл. 3.1.1., а на высоте шинных порталов h_x =11.5 м сведены в табл. 3.1.2.

Таблица 3.1.1.

Параметры зон защиты молниеотводов одинаковой высоты для hх=16.7 м, h=23.2 м

№ молниеотводов	L, м	Lmax , м	Lc, м	h, м	h0, r0, м	hc, м	rсх, м
1-2	31	110.2	52.2	23.2	18.56	18.56	1.86
2-3	32	110.2	52.2	23.2	18.56	18.56	1.86
2-8	55	110.2	52.2	23.2	18.56	17.664	1.013
3-8	45	110.2	52.2	23.2	18.56	18.56	1.86
3-4	32	110.2	52.2	23.2	18.56	18.56	1.86
8-4	55	110.2	52.2	23.2	18.56	17.664	1.013
8-9	48	110.2	52.2	23.2	18.56	18.56	1.86
4-9	48	110.2	52.2	23.2	18.56	18.56	1.86
4-5	32	110.2	52.2	23.2	18.56	18.56	1.86
5-9	48	110.2	52.2	23.2	18.56	18.56	1.86
5-6	47	110.2	52.2	23.2	18.56	18.56	1.86
14-17	41	110.2	52.2	23.2	18.56	18.56	1.86
13-17	44	110.2	52.2	23.2	18.56	18.56	1.86
13-14	16	110.2	52.2	23.2	18.56	18.56	1.86
16-17	48	110.2	52.2	23.2	18.56	18.56	1.86
16-13	52	110.2	52.2	23.2	18.56	18.56	1.86
12-13	32	110.2	52.2	23.2	18.56	18.56	1.86
12-16	41	110.2	52.2	23.2	18.56	18.56	1.86
9-14	24	110.2	52.2	23.2	18.56	18.56	1.86
9-13	29	110.2	52.2	23.2	18.56	18.56	1.86
8-13	39	110.2	52.2	23.2	18.56	18.56	1.86
8-12	24	110.2	52.2	23.2	18.56	18.56	1.86

Для защиты оборудования на высоте hх=11.5 м на них устанавливаем молниетоводы №7, 10, 11, 15, 18, 19, 20, 21 общей высотой 18 м.

Таблица 3.1.2.

Параметры зон защиты молниеотводов одинаковой высоты для hх=11.5 м, h=18 м

№ молниеотводов	L, м	Lmax , м	Lc, м	h, м	h0, r0, м	hc, м	rсх, м
11-19	43	85.5	40.5	18	14.4	13.6	2.224
7-19	16	85.5	40.5	18	14.4	14.4	2.9
7-11	40	85.5	40.5	18	14.4	14.4	2.9
7-20	43	85.5	40.5	18	14.4	13.6	2.224
20-19	40	85.5	40.5	18	14.4	14.4	2.9
11-20	16	85.5	40.5	18	14.4	14.4	2.9
10-18	35	85.5	40.5	18	14.4	14.4	2.9
18-15	39	85.5	40.5	18	14.4	14.4	2.9
10-15	40	85.5	40.5	18	14.4	14.4	2.9
15-21	31	85.5	40.5	18	14.4	14.4	2.9
18-21	24	85.5	40.5	18	14.4	14.4	2.9

3.2 Зоны защиты двух стержневых молниеотводов разной высоты

Рис. 3.2. Зоны защиты двойного разновысокого стержневого молниеотвода:

1- граница зоны защиты на высоте ;

2- то же на уровне земли

Зона защиты двух стержневых молниеотводов разной высоты представлены на рис.3.2.

Границы внешних областей зон защиты (h₀, h₀₂, r₀₁, r₀₂, r_x1, r_x2) определяются также, как для зон одиночных стержневых молниеотводов высотой h₁ и h₂ , соответственно по формулам п. 3.1.

Размеры внутренней области зоны защиты определяются по формулам:

, , .

Пример расчета зоны защиты между молниеотводами №1-№7 на высоте м.

Высоту молниеотвода №1 принимаем м.

м,

м,

м,

м, м;

, значит м;

м,

высоту молниеотвода №7 принимаем м.

м,

м,

м,

м, м;

, значит м;

м,

Общие параметры для молниеотводов 1-7:

м;

м;

м.

Полученные результаты расчета зон защиты молниеотводов сводим в таблицу 3.2.1. для высоты h_x=11.5 м.

Таблица 3.2.1.

Параметры зон защиты молниеотводов разной высоты для h_x=11.5 м

№ молниеотводов	h1, м	h2, м	, м	, м	, м	, м	, м	, м	, м	, м	, м	, м	, м	, м
1-7	23.2	18	18.56	18.56	25	18.56	7.06	14.4	14.4	16.48	14.4	2.9	16.48	4.98
1-19	23.2	18	18.56	18.56	30	18.56	7.06	14.4	14.4	16.48	14.4	2.9	16.48	4.98
2-19	23.2	18	18.56	18.56	30	18.56	7.06	14.4	14.4	16.48	14.4	2.9	16.48	4.98
8-19	23.2	18	18.56	18.56	51	18.56	7.06	14.4	14.4	16.48	11.04	2.9	14.8	3.676
8-20	23.2	18	18.56	18.56	51	18.56	7.06	14.4	14.4	16.48	11.04	2.9	14.8	3.676
12-20	23.2	18	18.56	18.56	48	18.56	7.06	14.4	14.4	16.48	12	2.9	15.28	4.077
6-10	23.2	18	18.56	18.56	25	18.56	7.06	14.4	14.4	16.48	14.4	2.9	16.48	4.98
5-10	23.2	18	18.56	18.56	53	18.3	7.06	14.4	14.4	16.48	10.4	2.9	14.35	3.273
5-18	23.2	18	18.56	18.56	44	18.56	7.06	14.4	14.4	16.48	13.28	2.9	15.92	4.575
9-18	23.2	18	18.56	18.56	32	18.56	7.06	14.4	14.4	16.48	14.4	2.9	16.48	4.98
14-18	23.2	18	18.56	18.56	42	18.56	7.06	14.4	14.4	16.48	13.92	2.9	16.24	4.81
14-21	23.2	18	18.56	18.56	32	18.56	7.06	14.4	14.4	16.48	14.4	2.9	16.48	4.98

3.3 Зоны защиты тросовых молниеотводов одинаковой высоты

Рис. 3.3. Зоны защиты двойного разновысокого стержневого молниеотвода:

1- граница зоны защиты на высоте ;

2- то же на уровне земли

Молниеотвод считается двойным, когда расстояние между молниеотводами не превышает предельной величины .

Построение внешних областей зон тросовых молниеотводов c h?30м производится по следующим формулам:

, где - высота опоры, м;

,

где h-высота молниеотвода, м;

,

Размеры внутренних областей определяются следующими параметрами:

, ;

При расстоянии между молниеотводами граница зоны не имеет провеса .

Для расстояний высота определяется по выражению

;

Максимальная полуширина зоны в горизонтальном сечении на высоте :

Полуширина горизонтального сечения в центре между молниеотводами на высоте

Пример расчета зоны защиты между тросовыми молниеотводами Т5-Т6 на высоте м.

Высоту опоры молниеотводов принимаем

м.

м,

м,

м,

м, м;

м.

Т.к , то ,

Для м,

Полученные результаты расчета зон защиты сводим в табл. 3.3.1 и табл. 3.3.2.

Таблица 3.3.1

Параметры зон защиты тросовых молниеотводов одинаковой высоты h_x=11.5 м

hx, м	h, м	L, м	rx, м	rcx, м
11.5	20.7	48	6	6

Таблица 3.3.2

Параметры зон защиты тросовых молниеотводов одинаковой высоты h_x=16.7 м

hx, м	h, м	L, м	rx, м	rcx, м
16.7	22.7	15	1.7	1.7

Проведем анализ полученных результатов расчета зон защиты. При расчете необходимо было выполнить следующее требование: полуширина горизонтального сечения в центре между молниеотводами на высоте должна быть не менее 0.5 метров (). В данном курсовом проекте это условие выполняется.

4. КОНСТРУКТИВНОЕ ИСПОЛНЕНИЕ ЗАЗЕМЛЯЮЩЕГО УСТРОЙСТВА ПОДСТАНЦИИ

Заземляющее устройство, выполняемое с соблюдением требований к его сопротивлению, должно иметь в любое время года сопротивление не более 0,5 Ом, включая сопротивление естественных заземлителей.

В целях выравнивания электрического потенциала и обеспечения присоединения электрооборудования к заземлителю на территории, занятой электрооборудованием, прокладываются продольные и поперечные горизонтальные заземлители, соединенные между собой и образующие сетку. Горизонтальные заземлители проложены по краю территории, занимаемой заземляющим устройством, так, чтобы они в совокупности образовывают замкнутый контур.

Выбираем стальные полосные горизонтальные заземлители 25х4 мм. Вертикальные заземлители выполняем из уголка 50Ч50Ч5 мм, d_в=0,95?b=0.0475 м, l=4 м, h=0.005 м - толщина стали.

Продольные заземлители проложены вдоль осей оборудования со стороны обслуживания на глубине 0,7 м от поверхности земли на расстоянии одного метра от фундамента оборудования.

Поперечные заземлители проложены в удобных местах между оборудованием на глубине 0,7 м от поверхности земли. Размеры ячеек заземляющей сетки, примыкающие к местам присоединения нейтралей силовых трансформаторов к заземляющему устройству, не превышают  .

По рекомендациям [1] внешнюю ограду подстанции не присоединяем к заземляющему устройству. Расстояние от ограды до заземляющего устройства подстанции должно быть не менее 2 метров.

5. РАСЧЕТ СОПРОТИВЛЕНИЯ ЗАЗЕМЛЕНИЯ МОЛНИЕОТВОДОВ

5.1 Расчет заземлителя отдельно стоящего молниеотвода

Заземлитель молниеотвода состоит из естественного и искусственного заземлителей. Естественным заземлителем R_ест является фундамент молниеотвода, а искусственный заземлитель R_иск выполняем в виде коротких горизонтальных лучей с вертикальными электродами.

Рассмотрим расчет заземлителя молниеотвода №16 высотой 23.2 м. В качестве его естественного заземлителя принимаем часть опоры, находящуюся в земле.

R_ест =;

где l_ф= 3 м ? длина заглубленной части опоры;

d_ф= 0.4 м ? средний диаметр заглубленной части опоры.

Для расчета определим эквивалентное сопротивление грунта, как вертикального заземлителя. При расчете неоднородный грунт представляется двухслойной моделью. Толщина первого слоя принимается равной длине заглубленной части опоры h_1э= 3 м.

Толщина второго слоя:

h_2э = H_расч- h_1э;

где H_расч = (1.3- 1.4)·l_ф ? расчетная глубина;

H_расч = (1.3- 1.4)·l_ф =(1.3- 1.4)·3 = 3.9 ?4.2 м;

Принимаем H_расч= 4 м.

h_2э = 4- 3 = 1 м;

В общем случае эквивалентное сопротивление первого слоя с_1э определяется путем усреднения проводимости слоев грунта, входящих в первый слой, также необходимо учесть сезонные изменения, в результате которых удельное сопротивление слоя сезонных изменений грунта для летнего периода времени увеличится на 1.4.

Толщина слоя сезонных изменений h=2 м.

с_1э = = = 81.353 Ом·м;

Эквивалентное удельное сопротивление второго слояс_2э будет равно:

с_2э === 120 Ом·м.

Двухслойная структура приводится к однослойной с эквивалентным сопротивлением с_э, в которой заземлитель будет иметь такое же значение сопротивления, как в двухслойной модели грунта.

Отношение удельных сопротивлений первого и второго слоя:

= = 0.678;

= = 1

При = 0.678 и =1 находим по (рис.15 [8-9]):

= 0.67;

с_э = 0.67·с_2э = 0.67·120 = 80.4 Ом·м.

Естественное сопротивление заземлителя:

R_ест = Ом.

В связи с близким расположением дороги, выбираем в качестве искусственного заземлителя двулучевой заземлитель с вертикальными электродами, расположенными на расстоянии 4 м от молниеотвода. Заземлитель уложен на глубине h =0.7 м, длина луча l_л = 5 м, диаметр луча d_л = 0.0125 м; длина вертикального электрода, выполненного в виде уголка составляет l_в = 4м, диаметр d_в = 0.0475 м.

Рис. 5.1.1. Конструкция заземлителя отдельно стоящего молниеотвода № 16

Для заземлителя их n лучей искусственное сопротивление находим по формуле:

R_иск= ;

где К_под ? коэффициент подобия;

К_лв - коэффициент, учитывающий снижение сопротивления лучевого заземлителя при добавлении вертикальных электродов.

Для = = 0.0025 по кривой 1 (рис.18. [1]) К_под = 0.78.

Для ==0.4 и a, по кривой 4 (рис.19. [1]) К_лв=0.45

Расчетная глубина грунта исходя из длины вертикального электрода:

H_расч = (1.3-1.4)·lв = (1.3-1.4)·4 = 5.2 - 5.6м;

А исходя из длины горизонтальных электродов:

H_расч = (0.1-0.2)·n_л·l_л = (0.1-0.2)·2·5 = 1.0-2.0м;

Принимаем H_расч= 5.5 м. Расчет эквивалентного сопротивления аналогичен предыдущему случаю, но в данном случае с_э определяется по рис. 16 [1].

h_1э = h; h_1э =0.7=0.7 м;

h_2э = H_расч- h_1э; h_2э = 5.5-0.7=4.8 м;

с_1э = == 63 Ом·м;

с_2э = == 103.007 Ом·м;

При = и находим по (рис.16 [1]):

= 1;

с_э = 1· с_2э = 1·120=120 Ом·м.

Искусственное сопротивление:

R_иск= = = 8.424 Ом;

Стационарное сопротивление молниеотвода:

R_~= = = 5.328 Ом.

Расчет импульсного сопротивления заземлителя молниеотвода производится по методике, разработанной на основе теории подобия. При определении критериев подобия в основу представления о механизме работы заземлителя положено понятие искровой зоны, то есть области, охваченной разрядом в грунте, границы которого определяются характеристическим размером S и критическим значением напряженности электрического поля.

Расчету импульсного сопротивления заземлителя R_и и должен предшествовать расчет критического значения тока, стекающего с заземлителя, при котором начинается процесс искрообразования ?I_иск. Для этого рассчитывают критериальные параметры П₁ и П₂ для стационарного значения сопротивления заземлителя R_~.



Рис. 5.1.2. Схема для ориентировочного определения характеристического размера S

Характеристический размер S = 5.049 м. Тогда параметры подобия:

П₁ = = = 0.354;

П₂ = = = 0.4;

Пробивная напряженность грунта:

Е_пр==

==835.255 кВ/см

Ток искрообразования:

I_иск = = = 70.976 кА;

Т.к. ток искрообразования больше расчетного тока I_иск = 70.976 кА < I = 100 кА, то необходимо выполнение условия I_и< I_иск.

Рис. 5.1.3. Схема для определения тока I_и

кА

Условие выполнено: 63.252 кА < 70.976 кА.

I_и < I_{иск ,} следовательно расчет импульсного сопротивления молниеотвода ведется следующим образом:

П_{2; ;} ,поэтому

Ом

Проверка расстояния по воздуху и расстояния по земле между трансформаторным порталом и молниеотводом №16 на высоте портала Н=16.5 м.

,

т.к то принимаем

,

т.к то принимаем

5.2 Расчет заземлителя портального молниеотвода

Для расчета портального молниеотвода выбираем молниеотвод № 6 высотой 23.2 м, так как для него площадь сетки в радиусе 20м наименьшая.

L = м ? суммарная длина горизонтальных электродов;

= ? сторона сетки;

Число ячеек равно:

m = = = 2.8893

Сопротивление заземлителя из сетки, уложенной на глубину h = 0.7 м в неоднородном грунте с эквивалентным сопротивлением с_э, определяется по формуле:

R_иск =;

A= 0.66 ? коэффициент, зависящий от отношения, и m находим по рис.10 [1]:

= = 0.000442;

где d=0.0125 ? диаметр электродов заземлителя.

Коэффициент, учитывающий глубину заложения сетки для =0.025, находим по табл.7 [1]: Д_h=0.8.

Определим эквивалентное сопротивление грунта:

при расчете неоднородный грунт представляется двухслойной моделью.

Толщина первого слоя принимается равной глубине заложения сетки h_1э= 0,7 м.

Толщина второго слоя:

h_2э = H_расч- h_1э;

где H_расч = (0.1- 0.2)·l_л ? расчетная глубина;

H_расч = (0.1- 0.2)·l_л =(0.1- 0.2)·60 = 6 ?12 м;

Принимаем H_расч = 7 м.

h_2э = 7- 0.7 = 6.3 м;

В общем случае эквивалентное сопротивление первого слоя с_1э определяется путем усреднения проводимости слоев грунта, входящих в первый слой, также необходимо учесть сезонные изменения, в результате которых удельное сопротивление первого слоя грунта для летнего периода времени увеличится на 1.4.

Толщина слоя сезонных изменений h=2 м.

Т.к в пределах h_1э находится только один слой, то с_1э=1.4с₁.

с_1э = =63 Ом·м;

Эквивалентное удельное сопротивление второго слояс_2э будет равно:

с_2э === 106.6 Ом·м.

Двухслойная структура приводится к однослойной с эквивалентным сопротивлением с_э, в которой заземлитель будет иметь такое же значение сопротивления, как в двухслойной модели грунта.

Отношение удельных сопротивлений первого и второго слоя:

= = 0.6;

= = 0.025

При = 0.6 и = 0.025 находим по (рис.8 [1]):

= 0.93;

Т.к. m=3, то вводим поправочный коэффициент К по (табл.5 [1]):

К = 0.94;

с_э = К·0.95·с_2э = 0.94·0.95·106.6 = 95.2 Ом·м.

Итак, искусственное сопротивление портального молниеотвода:

R_иск = = = 1.902 Ом.

При присоединении молниеотвода к заземляющему контуру подстанции в отводе тока молнии используется лишь часть заземляющего контура и при этом должно рассчитываться его импульсное сопротивление:

R_и = б_и·R;

гдеб_и ? импульсный коэффициент заземлителя;

R ? стационарное сопротивление для заземляющего контура (без естественных заземлителей) для летнего периода;

R = R_иск = 1.902 Ом.

По (рис. 13 [1]) для кривой 1 находим б_и = 1.

R_и = б_и·R_иск =1·1.902= 1.902 Ом.

6. ОЦЕНКА НАДЕЖНОСТИ ОРУ ПОДСТАНЦИИ ОТ ПРЯМЫХ УДАРОВ МОЛНИИ

Надежность защиты ОРУ подстанции от прямых ударов молнии характеризуется числом случаев перекрытия изоляции за год при прорывах молнии через зону защиты молниеотводов и обратных перекрытий при ударах молнии в молниеотводы.

Число перекрытий изоляции подстанции в год вследствие прорывов молнии в зону защиты молниеотводов определяется как:

в₁ = ;

где N_с ? число грозовых разрядов в ОРУ подстанции в год;

Р_пр ? вероятность прорыва молнии в зону защиты молниеотвода;

Р_пер ? вероятность перекрытия при ударе молнии в ошиновку;

P_д = 0.9 ? вероятность перехода импульсного перекрытия изоляции в силовую дугу.

При надежности защиты ОРУ от прямых ударов молнии 0.99:

Р_пр = (1-0.99) = 0.01

Число грозовых разрядов в ОРУ подстанции в год определяется по формуле:

N_с =;

где Р_о = 0.05·n_o;

n_o = 30 ? число грозовых часов в году;

Р_о = 0.05·30 = 1.5;

S_n? площадь ОРУ, мІ, ограниченная крайними молниеотводами, увеличенная с каждой стороны попарно взятых молниеотводов на R_экв.

Эквивалентная ширина, с которой ОРУ собирает боковые разряды молний при высоте молниеотводов 30 м:

R_экв =;

Для h_м = 23.2 м:

R_экв1 = = 80 м;

Для h_м = 18 м:

R_экв2 = = 68 м;

Число грозовых разрядов в ОРУ 110 кВ подстанции в год:

N_с = = = 0.11;

Для расчета вероятности перекрытия гирлянды изоляторов при ударе молнии в ошиновка используется по критический ток:

Р_пер = ;

Значение критического тока, при котором возможно перекрытие изоляции определяется как:

I_кр = ;

где Z_к = 390 Ом ? волновое сопротивление ошиновке ОРУ 220 кВ с учетом короны.

Также для расчета вероятности перекрытия гирлянды изоляторов при ударе молнии в ошиновку используется 50 %-е разрядное напряжение для импульсов отрицательной полярности:

U_50% = ;

где l_г ? строительная длина гирлянды изоляторов;

= ;

l_г = n·H_из;

где n ? количество изоляторов;

H_из ? строительная длина одного изолятора.

Для ОРУ 110 кВ использованы изоляторы типа ПС70-Е в количестве 16 штук. Значит, n = 16, а H_из = 127 мм.

l_г = n·H_из = 16·0.127 = 2.032 м;

= = 120+550·2.032 = 1237.6 кВ;

U_50% =

== 1129 кВ.

Значение критического тока, при котором возможно перекрытие изоляции:

I_кр = = = 5.79 кА;

Тогда вероятность перекрытия при ударе молнии в ошиновку ОРУ 220 кВ равна:

Р_пер = = = 0.793.

Итак, число перекрытий изоляции подстанции в год вследствие прорывов молнии в зону защиты молниеотводов для ОРУ 220 кВ:

в₁ = = = 7.85·10^-4.

Число обратных перекрытий изоляции подстанции в год при ударах молнии в молниеотводы равно:

в₂ = ;

где N_с ? число грозовых разрядов в ОРУ подстанции в год;

Р_пр ? вероятность прорыва молнии в зону защиты молниеотвода;

Р_обр ? вероятность обратного перекрытия при ударе молнии в молниеотвод;

P_д = 0.9 ? вероятность перехода импульсного перекрытия изоляции в силовую дугу.

При надежности защиты ОРУ от прямых ударов молнии 0.99:

Р_пр = ( 1-0.99) = 0.01

При ударе молнии в молниеотвод, установленный на портале ОРУ, возможно перекрытие гирлянды изоляторов с портала на провод, если напряжение, приложенное к гирлянде U_из(t) в точке крепления ее к порталу, будет равно или превысит ее импульсное разрядное значение U_г(t).

Потенциал портала в точке крепления гирлянды изоляторов определяется падением напряжения на сопротивлении заземления и индуктивности опоры, а также составляющей, обусловленной индуктивной связью между каналом молнии и телом опоры. Таким образом, напряжение U_из, кВ:

U_из(t) =U_п+U_раб+U_инд;

U_п=a·t·R_и+L_оп·а+М_оп·а;

U_инд=;

U_раб=

где R_и ? импульсное сопротивление заземления, Ом;

a ? крутизна тока молнии, кА/мкс;

t ? время нарастания тока молнии, мкс;

L_оп = L_o·h_п ? индуктивность молниеотвода на высоте крепления гирлянды изоляторов h_п, мкГн;

L_o ? удельная индуктивность, мкГн/м;

М_оп ? 0.2·h_п ? коэффициент взаимной индукции между каналом молнии с током

I_м = а·t и телом опоры молниеотвода, мкГн;

Для портальной железобетонной опоры молниеотвода удельная индуктивность L_o принимает значение 0.7 (с. 42 [1]).

h_п =16.7м ? высота портала;

М_оп ? 0.2·h_п = 3.34 мкГн;

L_оп = L_o·h_п = 0.7·16.7 = 11.69 м,

R_и = 1.902 Ом ? импульсное сопротивление заземления опоры.

U_из(t) =a·t·1.902 +11.69·а+3.34·а+277;

Импульсное разрядное напряжение гирлянды изоляторов определяется ее вольт-секундной характеристикой (ВСХ), рассчитываемой по формуле:

где к_кон - коэффициент, учитывающий различия в конструкции изоляторов,

к_е - коэффициент, учитывающий снижение градиента разрядного напряжения с увеличением длины гирлянды.

т.к

,

= кВ;

где ? 50%-е разрядное напряжение положительной полярности гирлянды изоляторов.

U_50% = 150+470·l_г = 150+470·2.032 = 1105.04 кВ;

U_50% (для l_г=1м)= 150+470·l_г = 150+470·1 = 620 кВ;

;

;

Из условия перекрытия изоляции значение крутизны а_iдля момента времени t_i, при которой становятся возможным обратное перекрытие гирлянды изоляторов на портале, найдем по формуле:

;

Для множества значений t_i вычисляются соответствующие вероятности и строится кривая P_a = f(P_i). Значение тока молнии, при котором перекрывается гирлянда изоляторов I_i=a_i·t_i..

Полученные значения представлены в табл. 6.1

Таблица 6.1.

Сводная таблица для определения значений вероятности амплитуды и крутизны тока молнии

ti,мкс	ai,кА/мкс	Ii ,кА	Pa	Pi
1	78.495	78.495	0.000525	0.0716
1,3	74.436	96.7668	0.00073	0.0436
1,5	71.919	107.879	0.00088	0.0328
1,8	68.398	123.1164	0.00118	0.0225
2	66.206	132.412	0.00148	0.0182
3	56.805	170.415	0.00324	0.0094
4	49.436	197.744	0.00627	0.00491
5	43.539	217.695	0.01152	0.003692
6	38.738	232.428	0.0182	0.002908
7	34.77	243.39	0.028	0.002292
10	26.227	262.27	0.072125	0.001624

По полученным значениям строится кривая вероятности опасных параметров молнии P_a = f(P_i). Площадь, ограниченная этой кривой, в соответствующем масштабе равна вероятности обратного перекрытия изоляции P_обр.

Рис. 6.1 Кривая вероятности опасных параметров молнии при ударах в молниеотвод, установленный на портале

Р_обр= =0.000654;

Число обратных перекрытий изоляции подстанции в год при ударах молнии в молниеотводы равно:

в₂ = = =0.641·10^-4 ;

Число перекрытий изоляции:

N_пу = в₁+в₂ = 7.85·10^-4+0.641·10^-4 =8.491·10^-4;

Число лет безаварийной работы ОРУ 220 кВ:

Т_пу = = = 1177.7 год;

Что больше допустимого значения Т_пу = 1000 лет (табл.10 [1]). Следовательно, защита от прямых ударов молнии в ОРУ 220 кВ достаточно эффективна и отвечает требованиям руководства по защите электрических сетей от перенапряжений.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В данном курсовом проекте были разработана система зон защиты молниеотводов от прямых ударов молнии. В результате расчета было получено, что все электрическое оборудование находится в зоне защиты молниеотводов. Также было выбрано заземляющее устройство ОРУ 220 кВ, а также рассчитано сопротивление отдельностоящих и портальных молниеотводов. Все сопротивления имеют значения меньше допустимых. Число лет безаварийной работы ОРУ 220 кВ составляет 1177.7 лет, что отвечает требованием руководства по защите электрический сетей от перенапряжений.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Защита электрических подстанций от прямых ударов молнии. Методические указания к курсовому проектированию / Ивановский государственный энергетический университет, Сост. С.Н. Горячкин. - Иваново, 2009. - 52 с.

2. Горячкин С.Н. Решение задач молниезащиты электрооборудования электрических сетей: Учебное пособие / ГОУ ВПО «Ивановский государственный энергетический университет им. В.И. Ленина».-Иваново, 2005.-144 с.

3. Правила устройства электроустановок / Главгосэнергонадзор России. - 6-е изд. - М.: Энергосервис 1998, - 608 с.

4. Инструкция по устройству молниезащиты зданий, сооружений. РД 34.21.122-87.-М.: Энергоатомиздат, 1989.-56с.

5. Инструкция по устройству молниезащиты зданий, сооружений и промышленных коммуникаций. - СПб.: Изд-во ЛиТТех, 2004. - 48 с.

6. Рябкова, Е.Я. Заземления в установках высокого напряжения /Н.Я. Рябкова. - М.: Энергия, 1978. - 225 с.

7. Молниезащита линий электропередач и электрооборудования станций и подстанций: метод. указания / сост. С.Н. Горячкин, ИвГЭУ. - Иваново, 1999. - 76 c.

8. Справочник по электрическим установкам высокого напряжения / Под ред. И.А. Баумштейна, С.А. Бажанова. ? 3-е изд., перераб. и доп. ? М.: Энергоатомиздат, 1989. ? 768 с.

9. Базуткин, В.В. Техника высоких напряжений: Изоляция и перенапряжения в электрических системах: учеб. / В.В. Базуткин, В.П. Ларионов, Ю.С. Пинталь. - 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Энергоатомиздат, 1986. - 464 с

Размещено на Allbest.ru