книги из ГПНТБ / Рябкова Е.Я. Расчет заземляющих устройств (Заземления в установках высокого напряжения) учеб. пособие

Г л а в а V

ЗАЗЕМЛЕНИЕ МОЛНИЕОТВОДОВ ПОДСТАНЦИЙ

1. Два способа заземления молниеотводов ОРУ

Заземление стержневых молниеотводов ОРУ подстанций высокого напряжения осуществляется, как правило, присое­ динением их к заземляющему контуру (заземлителю) под­ станции или же с помощью обособленных заземлителей, электрически не связанных с заземлителем подстанции.

Рис. V-L Удар молнии в молниеотвод, присоеди­ ненный к заземлителю подстанции

Использование заземляющего контура подстанции для заземления • молниеотводов позволяет устанавливать их на конструкциях ОРУ и обеспечивает более простое и эко­ номичное выполнение защиты подстанции от прямых уда­ ров молнии (рис. Ѵ-1). Действительно, при такой установке

70

молниеотводов наиболее полно используется их защитная зона, а высота уменьшается по сравнению с размещением на земле. Однако при таком решении и ударе молнии в молниеотвод ток молнии, стекая с заземлителя подстан­ ции в землю, приводит к появлению на нем потенциала

и=>і-гя,

где I —ток молнии при" ударе в молниеотвод;

Zu — импульсное сопротивление заземлителя подстанции в месте подсоединения к нему молниеотвода,

Потенциал, близкий к этому, будет и на всех заземлен­ ных корпусах оборудования подстанции и при недостаточ­ но низкой его величине может возникнуть обратное перекрытие или пробой изоляции оборудования с заземленного корпуса на токоведущий провод (рис. Ѵ-1).

Очевидно, что возможность последнего зависит от соот­ ношения потенциала на заземленном корпусе к импульсной прочности изоляции оборудования, характеризуемой испы­ тательными напряжениями.

Исключить полностью вероятность такихобратных пере­ крытий для подстанций с Uu 110 кв так же, как и на ли­ ниях, не представляется возможным по технико-экономичес­ ким соображениям.' Но уменьшить эту вероятность до прием­ лемых величин в обычных грунтах (р<^500 — 1000 омм) воз­ можно, учтя некоторые условия по использованию заземли­ теля подстанции для заземления молниеотводов.

На подстанциях с большим удельным сопротивлением грунта вероятность обратного перекрытия изоляции обору­ дования подстанции может стать недопустимо большой и по­ этому приходится сооружать отдельно стоящие на .земле молниеотводы с обособленными заземлителями, электричес­ ки не связанными с заземлителем подстанции.2

2. Исследование и анализ импульсных характеристик заземлителей подстанций [Л. 14, Л. 15]

а) Метод физического моделирования заземлителей

Заземлитель подстанции при растекании с него импульс­ ного тока молнии является сложным протяженным заземли­ телем, импульсное сопротивление которого Zu отличается от стационарного сопротивления R при 50 гц. Это отличие обусловлено значительными амплитудой и скоростью нарас-

71

ѵметодом физического моделирования заземлителей на осно­ ве теории подобия путем измерения импульсных характе­ ристик геометрически подобных заземлителей. Измерения проводились в ванне, размером 2X2X1 ж2, заполненной од­

нородной смесью из песка с черноземом, увлажняемой во­ дой, без соли и с солью, до получения требуемого удельно­

ченные размеры ванны, равная ее сопротивлению в безгра­ ничной среде с удельным сопротивлением заполняющего ее грунта.

Уменьшение в модели индуктивности протяженного заг землителя привело к необходимости отдельно моделировать его распределенную индуктивность. Она определялась ана­ литически и учитывала как собственную, так приближенно и взаимную индуктивность между параллельными элемен­ тами заземлителя (см. приложение). Катушка индуктивно-

72

сти, соответствующая 5 м длины горизонтального электро­ да, включалась в его рассечку и располагалась над ванной.

При физическом моделировании все процессы, происхо­ дящие в земле в поле заземлителя при растекании импульс­ ного тока, сохраняются. Значительные плотности тока и напряженности электрического поля, определяющие разме­ ры искровой зоны заземлителя, сохраняются и в модели. Однако, благодаря малым размерам модели, они получаются при относительно небольшом общем токе в модели и напря­ жении испытательной установки.

Используя теорию подобия, определяются критерии по­ добия для моделирования заземлителей при растекании им­ пульсного тока и устанавливается связь между масштабами:

Импульсное сопротивление заземлителей определялось с учетом масштабов по осциллограммам напряжения и тока. Исследования проводились в грунтах с удельным сопротив­

в ванне с песком (Ял) и в ванне с водой, удельное сопротив­ ление которой было іизвестно. Отсюда

б) Импульсные характеристики заземлителей подстанций

Импульсное сопротивление заземлителя определяется отношением напряжения на заземлителе к току, стекающему с него, и изменяется ■по времени с момента протекания тока. При этом максимум волны напряжения опережает

73

амплитуду волны тока (рис. Ѵ-2) и сопротивление в момент макаимума напряжения

ZИ

(ум)

80м

р —330омм

R = 2, 35ом

12 = Вмксек

Рис. Ѵ-2. Осциллограммы тока и напряжения заземлителя и его им­ пульсное сопротивление при UM и / м.

больше его сопротивления в моменты максимума тока

Z„ = U ,

Ѵ„) Іи

В соответствии с этим, импульсный коэффициент зазем­ лителя

2И

а = — —

74

в момент амплитуды тока будет меньше, чем для момента амплитуды напряжения на заземлителе.

Для анализа грозоупорности подстанции и сопоставле­ ния потенциала на заземлителе с импульсным испытатель­ ным напряжением изоляции оборудования имеет значение как амплитуда напряжения на заземлителе при времени, рав­ ном длине фронта волны напряжения ти, так и напряжение на заземлителе при большем времени — в момент амплитуды волны тока, т. е. при времени тт> тп.

Импульсный коэффициент заземлителя подстанции мо-, жет быть как больше, так и меньше единицы (а ^ 1) в за­ висимости от преобладания влияния пробоев в земле или индуктивности. Степень влияния искровых процессов и ин­ дуктивности на импульсный коэффициент заземлителя, по­ мимо амплитуды и длины фронта волны тока, зависит от удельного сопротивления грунта, размера и конструкции' заземлителя и от места ввода тока ' молнии в заземлитель подстанции.

Заземлитель подстанции при вводе тока в центре или на стороне контура приближенно можно рассматривать как сложный протяженный заземлитель из ряда параллельных горизонтальных полос ' без вертикальных электродов или с ними.

Импульсное сопротивление Z„ при вводе тока в центре заземлителя будет меньше, чем при вводе тока на его сто­ роне вследствие уменьшения индуктивности из-за увеличе­ ния числа параллельных полос и уменьшения их длины. Бла­ годаря этому уменьшается длительность переходного про­ цесса и к интересующему нас моменту времени проводи-1, мость заземлителя будет использована в большей мере. Вследствие этого предпочтительным является расположение и подсоединение молниеотвода к центру заземлителя и, по крайней мере, в тех местах, где обеспечено растекание тока по 3, 4 горизонтальным магистралям. _

Если для заземлителя размером ~\f5 = 2 0 м влиянием места ввода тока на величину Zu можно пренебречь, то при

больших размерах ] /5 это влияние является существенным. Сравнение импульсных сопротивлений при _вводе тока на

стороне іи в центре заземлителя — сетки с Ѵ 5 = 4 0 м и ячей­ ками ЮХІОяі2 приводится в табл. XII.

Как видно из таблицы, разница между ZIICT и Zuц увели­ чивается с уменьшением сопротивления грунта и величины тока молнии.

75

1

Рис. Ѵ-3. Зависимость импульсного сопротивления заземлителей — сеток без стержней и со стержнями от тока при раз­ ных длинах его фронта и разных сопротивлениях грунта

76

При отступлении формы заземлителя от квадратной и вводе тока на малой его стороне импульсное сопротивление заземлителя возрастает.

Дальнейшие результаты исследований приводятся при вводе тока в центре заземлителя для момента амплитуды тока, т. е. при і?=тт.

Из рис. Ѵ-3 видно, что 2И заземлителя — сетки неболь­

ших размеров (V S = 20 ж) зависит от амплитуды тока и не

зависит от длины фронта волны тока (кривые Д7('; 3,3') иі, следовательно, в приведенных грунтах данный заземлитель ведет себя как сосредоточенный.

Слабее интенсивность искровых процессов и уже замет­ нее влияние фронта наблюдается у того же заземлителя, но с вертикальными электродами (крйвые 2,20, 4,4').

Сопротивление'^! заземлителя — сетки большого размера S —80 ж) в аналогичных грунтах (кривые 5,5'; 6,6') очень мало зависит от тока, даже в плохом грунте, и сильно уве­ личивается при уменьшении х с б до 3 мксек. Это является следствием увеличения индуктивности и относительного ее

влияния на Zu из-за уменьшения R заземлителя.

Как видно из рис. Ѵ-4 с увеличением размера заземли­ теля Z„ снижается медленнее, чем R, из-за ослабления иск­ ровых процессов и возрастания влияния индуктивности. При некотором размере заземлителя, тем меньшем, чем меньше р

станции имеет значение для снижения его импульсного со­ противления только до некоторых размеров, аналогично то­ му, что наблюдалось ранее (см. гл. IV), у линейного протя­ женного заземлителя.

Как видно из кривых рис. Ѵ-4 минимальное' импульсное сопротивление сетки в грунтах с сопротивлением р=250 —

77

но используемыми размерами. Исследования показали также, что добавление к сетке вертикальных электродов уменьшает предельный используемый размер заземлителя.

Заземлители подстанций обычно имеют размеры выше предельно используемых при растекании токов молнии. По­

этому естественные протяженные заземлители (система I ■

78

трое — опоры, оболочка кабелей), находящиеся за предела­ ми заземляющего контура подстанции, не могут оказать за­ метного влияния на снижение Zn и при расчетах во внима­ ние не принимаются.

Рис. Ѵ-5. Зависимость стационарного и импульсного сопротив­ лений заземлителей — сеток без стержней и со стержнями от удельного сопротивления грунта

С увеличением удельного сопротивления грунта интен­ сивность искровых процессов увеличивается, а относитель­ ное влияние индуктивности уменьшается. Благодаря этому, с увеличением р импульсное сопротивление заземлителя Zlt

79