2.5.3. Молниезащита оборудования станций и подстанций

Для защиты оборудования станций и подстанций от грозовых воздействий необходимо выполнить следующие мероприятия:

- защиту оборудования станций и подстанций от прямых ударов молний (ПУМ);

- защиту от обратных перекрытий;

- защиту от набегающих с линии волн;

- защиту подхода линии к станции и подстанции.

Защита от прямых ударов молнии. В соответствии с рекомендациями Инструкции по устройству молниезащиты зданий, сооружений и промышленных коммуникаций, зоной защиты одиночного стержневого молниеотвода высотой h (рис. 2.5.1) является круговой конус высотой h_o < h, вершина которого совпадает с вертикальной осью молниеотвода. Зона защиты одиночного и двойного стержневого молниеотвода (рис. 2.5.2) определяется расчетными формулами, указанными в табл. 2.5.1 и табл. 2.5.2 соответственно. Размеры внутренних областей определяются параметрами h_o и h_c, первый из которых задает максимальную высоту зоны непосредственно у молниеотводов, а второй – максимальную высоту зоны посередине между молниеотводами.

Максимальная полуширина зоны r_c в горизонтальном сечении на высоте h_c:

r_c= r₀(h_c – h_х)/ h₀ .

Рис. 2.5.1. Зона защиты одиночного молниеотвода

Рис. 2.5.1. Зона защиты двойного молниеотвода

Т а б л и ц а 2.5.1

Расчет зоны защиты одиночного стержневого молниеотвода

Надежность защиты Рз	Высота молниеотвода h, м	Высота конуса ho, м	Радиус конуса ro, м
0,9	От 0 до 100	0,85h	1,2h
	От 0 до 30	0,8h	0,8h
0,99	От 30 до 100	0,8h	[0,8-1,43·10-3(h-30)]h
	От 100 до 150	[0,8-10-3(h-100)]h	0,7h
	От 0 до 30	0,75 h	0,6h
0,999	От 30 до 100	[0,7-7,14·10-4(h-30)]h	[0,6-1,43·10-3(h-30)]h
	От 100 до 150	[0,65-10-3(h-100)]h	[0,5-2·10-3(h-100)]h

Т а б л и ц а 2.5.2

Расчет параметров зоны защиты двойного стержневого молниеотвода

Надежность защиты Рз	Высота молниеотвода h, м	Lmax, м	Lc, м
	От 0 до 30	5,75h	2,5h
0,9	От 30 до 100	[5,75-3,57·10-3(h-30)]h	2,5h
	От 100 до 150	5,5h	2,5h
	От 0 до 30	4,75h	2,25h
0,99	От 30 до 100	[4,75-3,57·10-3(h-30)]h	[2,25-0,01007·(h-30)]h
	От 100 до 150	4,5h	1,5h
	От 0 до 30	4,25h	2,25h
0,999	От 30 до 100	[4,25-3,57·10-3(h-30)]h	[2,25-0,01007·(h-30)]h
	От 100 до 150	4,0h	1,5h

Длина горизонтального сечения на высоте h_x ≥ h_c

l_х = L(h₀ – h_х )/2(h ₀ – h_с ); h_x < h; L_x = L / 2.

Ширина горизонтального сечения в центре между молниеотводами 2r_cx на высоте h_x ≤ h_c:

r_cх= r₀(h_c – h_х)/ h_с .

Зона защиты нескольких молниеотводов определяется попарными зонами защиты трёх ближайших молниеотводов.

Для расстояния L_c ≤ L ≤ L_max высота h_c определяется по выражению

h_c=[(L_max – L)/ (L_max – L_с)]h₀.

Входящие в это выражение L_max и L_c вычисляются по эмпирическим формулам табл. 2.5.2

Зона защиты нескольких молниеотводов определяется попарными зонами защиты трёх ближайших молниеотводов.

Защита от обратных перекрытий. Прямой удар молнии в молниеотвод (или в другую заземлённую металлическую конструкцию) на подстанции приводит к возникновению в нём импульсного напряжения амплитудой, равной:

U_o=I_мR_и+ I_м^′L,

где I_м и I_м^′ – амплитуда и крутизна тока молнии;

R_и – импульсное сопротивление заземления молниеотвода (металлической конструкции);

L – индуктивность токоотводящего спуска молниеотвода.

Предотвратить обратные перекрытия можно путём снижения импульсного сопротивления заземления молниеотвода и удаления защищаемых объектов от молниеотвода на безопасное расстояние S > U₀/Е_доп, где для воздуха Е_доп =300 кВ/м. Согласно ПУЭ расстояние между защищаемым объектом и молниеотводом по воздуху рекомендуется выбирать по выражению S_в > 0,12R_и+0,1h_х; S_в ≥ 5м. В земле расстояние между электродами обособленного заземлителя молниеотвода и заземляющим устройством открытого распределительного устройства (ОРУ) подстанции рекомендуется выбирать не менее S₃ = 0,2R_и; S₃ ≥ 3 м.

Защита от волн, набегающих с линии электропередачи. Приход волн по линии после поражения молнией может вызвать опасные перенапряжения, которые могут пробить главную изоляцию трансформаторов или реактора при большой амплитуде перенапряжений, а также их продольную изоляцию (междувитковую, междукатушечную или междуслоевую).

При подходе волны перенапряжения к зажимам, например трансформатора, напряжение на них, вследствие большой крутизны фронта волны, очень быстро возрастает. Скорость этого процесса настолько велика, что из-за большой индуктивности обмотки трансформатора ток, создаваемый электрическим зарядом волны, сначала проходит не по виткам обмотки, а по её ёмкостной цепи. Следует особо подчеркнуть то, что в случае изолированной нейтрали во время колебаний большие перепады напряжения возникают в конце обмотки, т. е. в нейтрали напряжение почти удваивается и отражается к началу обмотки; кроме того, в отдельных частях обмотки и при заземлённой нейтрали напряжение относительно земли становится больше напряжения падающей волны. Из сказанного вытекает, что волны перенапряжений, достигающих трансформатора, могут вызывать опасность повреждения изоляции. Поэтому необходимы соответствующие меры защиты. С одной стороны – это усиление изоляции высоковольтных обмоток в начальной и конечной частях обмоток, а также выравнивание электрического поля в начальной части обмотки путём установки ёмкостных экранных колец. С другой стороны, необходимо применять защитные устройства от перенапряжений путём установки вблизи вводов трансформаторов ОПН или вентильных разрядников. Ставить РВ или ОПН у каждого оборудования экономически нецелесообразно. Поэтому при выборе числа и расположения РВ или ОПН стремятся обеспечить достаточно малое расстояние по ошиновке от РВ или ОПН до наиболее удалённого подстанционного оборудования. Кроме того, применяются меры для снижения крутизны набегающих с линии волн. При установлении интервала координации следует учитывать, что уровень допустимых воздействий на изоляцию связан с величиной испытательного напряжения по ГОСТ-1516.1-96. Для силовых трансформаторов, в частности, принято, что при типичной форме импульсного воздействия уровень допустимых перенапряжений рассчитывается по формуле

U_доп=1,1(U_{исп.имп.} – 0,5U_ном),

где U_{исп.имп.} – импульсное испытательное напряжение полной волны стандартной формы;

U_ном – действующее значение номинального напряжения.

Рассчитанные по этой формуле уровни допустимых перенапряжений на трансформаторах и реакторах приведены в табл. 2.5.3. Интервал координации изоляции в существующих сетях составляет (25-40) %.

Т а б л и ц а 2.5.3