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.
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.
Молния — газовый разряд в природных условиях
... грозового облака. Также в реферате рассмотрен вопрос молниезащиты. Люди давным-давно поняли, какой вред может принести удар молнии, и придумали от нее защиту. 1. Молнии Молния,природный разряд больших скоплений электрического заряда в ... возникает в газе обычно при давлениях порядка атмосферного. В естественных природных условиях искровой разряд наблюдается в виде молний. Внешне искровой разряд ...
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
Защита объектов от перенапряжения
... быть исчерпывающими, гарантировать при их соблюдении безаварийную и безопасную работу оборудования и обслуживающего персонала. В качестве изоляции в ... В ленточных слоях число и размеры масляных прослоек зависят от толщины бумаги, степени перекрытия лент и плотности намотки. ... Размеры масляных прослоек в листовых слоях зависят в основном от плотности прилегания листов бумаги друг к другу и ...
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
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
|
Надежность защиты P |
Высота молниеотвода h,м |
Высота конуса h0 |
Радиус конуса r, м |
|
0,9 |
0-100 |
0,85h |
1,2h |
|
100-150 |
0,85h |
[1,2-10-3(h-100)]h |
|
|
0,99 |
0-30 |
0,8h |
|
|
30-100 |
0,8h |
[0,8-1,43*10-3(h-30)]h |
|
|
100-150 |
[0,8*10-3(h-100)]h |
0,7h |
|
|
0,999 |
0-30 |
0,7h |
0,6h |
|
30-100 |
[0,7-7,14*10-4(h-30)]h |
[0,6-1,43*10-3(h-30)]h |
|
|
100-150 |
[0,65-10-3(h-100)]h |
[0,5-2*10-3(h-100)]h |
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
|
Надежность защиты P |
Высота молниеотвода h,м |
Длина горизонтального сечения L, м |
Расстояние между молниеотводами L0, м |
|
0,9 |
0-30 |
5,75h |
2,5h |
|
30-100 |
[5,75-3,75*10-3(h-30)]h |
2,5h |
|
|
100-150 |
5,5h |
2,5h |
|
|
0,99 |
0-30 |
4,75h |
2,25h |
|
30-100 |
[4,75-3,57*10-3(h-30)]h |
[2,25-0,01007(h-30)]h |
|
|
100-150 |
4,5h |
1,5h |
|
|
0,999 |
0-30 |
4,25h |
2,25h |
|
30-100 |
[4,25-3,57*10-3(h-30)]h |
[2,25-0,01007 (h-30)]h |
|
|
100-150 |
4h |
1,5h |
3.2 Установка молниеотводов
Установка молниеотводов чаще производится на порталах подстанции (на конструкциях ОРУ).
Это, прежде всего, обуславливается эффективностью использования защитных зон, так как устанавливаются ближе к защищаемым объектам. Конечно, установка таким способом является экономически выгоднее, так как требуется меньше металла на изготовление.
Вариант установки молниеотводов на конструкциях ОРУ имеет недостаток. Существует вероятность поражения молниеотвода ударом молнии с большой амплитудой и крутизной фронта импульса тока. Что может привести к поражению и защищаемой конструкции. Это в свою очередь приведет к «обратному» перекрытию изоляции, пробою изоляции, перекрытие гирлянд, повреждению оборудования, аварии и т.д.
Отдельно стоящие молниеотводы в этом плане безопасны. Но затраты на установку таких молниеотводов значительно выше.
Поэтому при проектировании подстанции выбирается оптимальный вариант, который учитывает и стоимость, и надежность.
Тросовые молниеотводы чаще применяются для защиты линий электропередач. Их используют для защиты участка линии длиной 1-3км, подходящие к подстанции.
Основными аппаратами защиты подстанции от импульсных перенапряжений атмосферного характера или от грозовых перенапряжений являются разрядники, ограничители перенапряжения. Рассмотрим наиболее часто встречающиеся.
4.1 Разрядники
Самым простым является искровой промежуток. Иначе его еще называют искровым разрядником. Принцип его работы очень прост. Сама конструкция представляется собой двух стержневых электродов, между которыми находится защитный промежуток. При пробое этого промежутка и образовании между электродами устойчивой дуги, приводит к аварийному отключению электроустановки.
Еще один тип используемых разрядников — трубчатый. Они чаще применяются для защиты подходов к подстанции, для защиты оборудования маломощных подстанций. Конструкция такого разрядника представлена на рисунке 6.
Рисунок 6 — Трубчатый разрядник
- газогенерируюшая трубка;
- 2 — стержневой электрод;
- 3 — кольцевой электрод;
- s1 — внутренний искровой промежуток;
- s2 — внешний искровой промежуток.
При грозовом перенапряжении искровые промежутки пробиваются, в результате образуется дуга. Под действием высокой температуры начинается интенсивное выделение газа. Давление в трубке начинает увеличиваться, из-за чего газы двигаются в сторону низкого давления, то есть к открытому концу трубки. Созданное продольное дутье оказывается достаточным для гашения дуги.
Для защиты изоляции электрооборудования подстанции чаще применяют вентильные разрядники. Свое название они получили благодаря своей характерной особенности. Сопротивление такого разрядника нелинейно, то есть с увлечением значения силы сопротивление уменьшается. Это позволяет пропускать большие токи через разрядник с наименьшим падением напряжения. В конструктивном исполнении вентильные разрядники представляют собой несколько искровых промежутков, последовательно соединенные с рабочим резистром. Рабочий резистор должен снижать ток до такого значения, которое сможет быть погашено искровыми промежутками.
- искровые промежутки;
- 2 — нелинейные резисторы;
- 3 — герметично закрытая фарфоровая покрышка.
4.2 Ограничители перенапряжений
В настоящее время использование разрядников отходит на второй план. И в современных подстанциях основой аппарат защиты от грозовых перенапряжений нелинейные ограничители перенапряжения (ОПН).
Рисунок 8 — Конструкция нелинейного ограничителя перенапряжения наружного исполнения
- сквозная полость (предусматривается только у ОПН при использовании фарфоровой покрышки);
- 2 — изолирующий корпус с ребрами;
- 3 — узлы герметичности и взрывоопасности;
- 4 — фланцы корпуса;
- 5 — экранодержатели;
- 6 — наружный тороидальный экран;
- 7 — колонки варистров.
В отличие от вентильных разрядников ОПН не имеет искровых промежутков. Основой ОПН является нелинейное сопротивление, состоящее из одной или нескольких колонок резисторов на основе оксида цинка — варисторы. Вольтамперная характеристика ОПН резко нелинейна. Необходимость в искровых промежутках полностью отпадает, тем самым обеспечивается ограничение всех грозовых и коммутационных перенапряжений до безопасного для защищаемой изоляции уровня.
Все правила защиты электроустановок предусматриваются ПУЭ. Для наглядности в таблице 3 приведены необходимые мероприятия для защиты объектов подстанции.
Таблица 3. Защита подстанций от прямых ударов молнии
|
Защищаемые объекты |
Защитные мероприятия |
|
ОРУ, в том числе гибкие мосты и шинные связи. |
Стержневые молниеотводы |
|
Здания машинного зала при числе грозовых часов в году более 20. |
1. Заземление металлических или железобетонных конструкций кровли или металлической кровли. 2. Стержневые молниеотводы или молниеприемные сетки на крыше зданий |
|
Дымовые металлические, кирпичные, бетонные и железобетонные трубы. |
Заземление Стальной молниепровод и заземляющий спуск, присоединенный к заземлителю |
|
Здания трансформаторной башни, маслохозяйства, нефтехозяйства, электролизной и ацителено-генераторной станции. |
1. Отдельно стоящий тросовый или стержневой молниеотвод 2. Импульсное сопротивление каждого заземлителя 3. Заземление металлических корпусов |
|
Угледробилки, вагоноопрокидыватели, резервуары с горючими жидкостями или газами, места хранения баллонов с водородом. |
1. Молниеотвод, установленный отдельно или на самом сооружении при толщине крыши менее 4мм. 2. Заземление корпуса установки |
ПУЭ предусматривает схемы молниезащиты подстанций промышленных предприятий. В таблице 4 приведены схемы подстанций, перечислены объекты для защиты и параметры молниезащиты.
Таблица 4. Защита подстанций промышленных предприятий
|
Схема |
Защищаемый объект |
Характеристика молниезащиты |
|
Напряжение 3-20 кВ |
||
|
|
Цеховые трансформаторы подстанции и РП с питающими воздушными линиями |
Устанавливаются РТВ на вводе каждой воздушной линии. Если точки к. з., отключаемых трубчатыми разрядниками, на шинах подстанции устанавливаются РВС или РВП |
|
|
Цеховые трансформаторные подстанции и РП с питающими воздушными линиями через кабельные перемычки |
Устанавливаются РТФ или РТВ на кабельных муфтах и РВС или РВП на шинах подстанции |
|
|
Главные понизительные подстанции с отходящими воздушными линиями на стороне низшего напряжения |
Устанавливаются РВС на шинах подстанции, РТФ или РТВ — на вводах в подстанцию и дополнительно на расстоянии трех-четырех пролетов от вводов |
|
|
Главные понизительные подстанции с отходящими воздушными линиями, имеющими кабельные вставки на подходах к подстанции |
Устанавливаются РВС на шинах подстанции, РПВ — за реакторами, РТФ или РТВ — на кабельных муфтах и на расстоянии трех-четырех пролетов от них; при длине кабельной вставки свыше 100 м второй комплект разрядников РТ не устанавливается |
|
|
Генераторы до 12 тыс. кВт электростанций промышленных предприятий. Воздушные линии подключаются к шинам через кабельные вставки без реакторов. Воздушные линии к шинам генераторов мощностью более 12000 кВт присоединять не разрешается |
Устанавливаются РВМ на шинах электростанций примерно 1 мкФ, РТ — на кабельных муфтах и в конце защищенного молниеотводами подхода; длина кабельной вставки должна быть не менее 100 м. Подход воздушных линий на расстоянии 300 м защищается стержневыми молниеотводами. Если подходы воздушных линий к электростанции или подстанции экранизированы окружающими строениями, защита подходов воздушных линий молниеотводами не обязательна |
|
|
Генераторы до 12000 кВт электростанций промышленных предприятий. Линии реактированы. Воздушные линии присоединены к шинам генераторного напряжения через кабельные вставки |
Устанавливаются РВМ на шинах генераторного напряжения, РВС или РВП — за реакторами, на линиях: РТ2 — на расстоянии 300 м от РТ1. На шинах электростанции кроме разрядника устанавливаются емкости около 1 мкФ. Длина кабельной вставки должна быть не менее 50 м |
|
Напряжение 35-110 кВ |
||
|
|
Главные понизительные подстанции 35 — 110 кВ |
Устанавливаются РВС на шинах подстанции, РТФ или РТВ — на вводах и в конце тросовых участков. Подходы воздушных линий защищаются тросами. Если подходы экранированы окружающими строениями, защита молниеотводами не обязательна. Вилитовые разрядники присоединяются под один разъединитель вместе с трансформаторами напряжения |
|
|
Главные понизительные подстанции 35-110 кВ по упрощенной схеме с короткозамыкателями вместо выключателей |
Устанавливаются РВС без разъединителей |
|
|
Цеховые понизительные подстанции глубокого ввода 35 кВ с трансформаторами до 630 кВА |
Устанавливаются РВС на шинах подстанции РТ или РТВ — на вводах в подстанцию и на расстоянии 200 м |
|
|
Подстанции насосных установок промышленных предприятий с электродвигателями 3 — 10 кВ, питающиеся через воздушные линии без установки понизительных трансформаторов (не имеющие ГПП на подстанции насосной, например, 35/6 кВ) |
Устанавливаются РВМ на шинах подстанции емкостью примерно 1 мкФ; на воздушных питающих линиях устанавливают РТ |
|
|
Для всех подстанций, имеющих установленные и присоединенные к шинам батареи конденсаторов, при наличии ввода воздушных линий на те же шины |
Устанавливаются РТ на воздушных линиях на расстоянии 150-200 м от шин подстанции и РВС или РВМ — на шинах |
С каждым годом мощность вновь проектируемых электроустановок, станций, подстанции растет. В связи с этим развивается и система защиты для полной безопасности защищаемых объектов. Из эксплуатации выводят старую аппаратуру, а на их место приходят новейшие разработки в области электрооборудования. Какие-то аппараты защиты остаются основными уже на протяжении больше века.
Новые открытия эльфов, синего свечения, спрайтов приводят ученых в заблуждение и полное переосмысливание этого природного явления как молния. Дальнейшие глубокое ее изучение поможет осуществить еще более качественную и эффективную защиту подстанций, позволит уменьшить количество аварийных ситуаций, сохранить и продлить жизнь электрооборудования.
1. ГОСТ Р 51992-2002 (МЭК 61643-1-98).
Устройства для защиты от импульсных перенапряжений в низковольтных силовых распределительных системах. Часть 1. Требования к работоспособности и методы испытаний.
- Правила устройства электроустановок / Инистерство топлива и энергетики Российской Федирации — 6-ое изд-е — М.: Главгосэнергонадзор России, 1998. — 607с.
- Ларионов В.П.
Молниезащита // Электричество. — 1999. — ;4, 7, 9, 11.
- Юриков А.А. Защита электростанций и подстанций 3-500 кВ от прямых ударов молнии. — М.:Энергоиздат, 1982. — 88с., ил. — (Б-ка электромонтера;
- Вып. 541).
