Конструкції і заземлення блискавковідводів

Громовідводи складаються з чотирьох конструктивних елементів: блискавкоприймача 1, несучої конструкції 2, струмовідводу 3 та заземлювача 4 (рис. 36). Блискавкоприймач безпосередньо сприймає прямий удар блискавки. Тому він повинен надійно протистояти механічним і тепловим впливам струму і високотемпературного каналу блискавки. Несуча конструкція несе на собі молніепріемнік і токоотвод, об'єднує всі елементи блискавковідводу в єдину, жорстку, механічно міцну конструкцію. В електроустановках громовідводи встановлюються поблизу струмоведучих частин, що перебувають під робочою напругою. Падіння блискавковідводу на струмовідні елементи електроустановки викликає важку аварію. Тому несуча конструкція блискавковідводу повинна мати високу механічну міцність, яка виключила б в експлуатації випадки падіння блискавковідводу на обладнання електростанцій і підстанцій.

Струмовідвід з'єднує блискавкоприймач з заземлювачем і призначений для пропускання струму блискавки від блискавкоприймача до заземлювача. Тому він розраховується на теплові та електродинамічні впливу, пов'язані з проходженням по ньому струму блискавки. Заземлювач блискавковідводу служить для відведення струму блискавки від блискавкоприймача з токоотводом в землю і зниження потенціалу елементів громовідводу. В електроустановках заземлювач визначає ефективність і надійність захисту, що складається з блискавковідводів. Заземлювачі блискавковідводів працюють в різних умовах: у сухому грунті або при постійному впливі вологи з розчиненими в ній різними солями і кислотами, що містяться в грунті, які визначають в основному електропровідність землі. Але ці ж розчини створюють умови для швидкої корозії металу. Тому при виборі конструкції і матеріалу заземлювача враховуються умови, в яких він повинен працювати.

Конструкції блискавковідводів.

В енергетиці отримали широке поширення конструкції блискавковідводів з дерев'яними, залізобетонними і металевими опорами. Стрижневі громовідводи на дерев'яних опорах застосовуються в електроустановках середніх номінальних напруг: на підстанціях 35 кВ і в установках захисту обертових машин 3-20 кВ. Вони виконуються окремо стоять з дерев'яною стійкою опори 1 і залізобетонними приставками 2, висотою до 20-25 м.

На рис. 37 показані типові конструкції окремо стоять блискавковідводів з дерев'яними опорами, розроблені Сельенергопроектом [2].

У блискавковідводів висотою 12 м і більше дерев'яні стійки опори складові (рис. 37, вузол /). Стійки виконуються з сосни, ялини, модрини та ялиці з мінімальним діаметром у верхньому відрубі 120 мм. Для оберігання від загнивання їх деревина обробляється антисептуючими складами. Модрина зимової рубки може застосовуватися без обробки.

Рис. 36. Стрижневою окремо стоїть блискавковідвід

Рис. 37. Громовідводи на дерев'яних опорах із залізобетонними приставками (с) і вузли їх конструкції (С):

1 Дерев'яні стійки; 2 - залізобетонні приставки, 3 – блискавкоприймачі

Блискавкоприймачі 3 виготовляються з прокатної сталі будь-якого профілю перерізом не менше 100 мм2, при довжині (від верхньої точки закріплення до його верху) не більше 2-2,5 м. Якщо молніепріемнік виконується з труб, верхній кінець його заварюється або закривається металевою пробкою. Кріплення трубчастого блискавкоприймача до дерев'яної стійці блискавковідводу показано на рис. 38. Блискавкоприймачі для запобігання від корозії слід оцинковувати або фарбувати.

Струмовідводи у блискавковідводах з дерев'яними опорами виготовляються різного профілю з перетином, розрахованим для проходження повного струму блискавки. Рекомендується круглу сталь брати діаметром не менше 6 мм, кутову сталь у вигляді смуги перетином не менше 48 мм2, товщиною 4 мм.

Струмовідводи прокладаються по дерев'яних стійок опор і прикріплюються до них за допомогою скоб.

З'єднання окремих частин струмовідводу між собою, з блискавкоприймачем і з заземлювачем проводиться за допомогою зварювання. Для запобігання від корозії струмовідводи фарбуються.

Раніше застосовувані для блискавковідводів на дерев'яних опорах дерев'яні приставки, як показав досвід експлуатації, швидко загнивають, особливо в піщаних і суглинистих грунтах. Тому застосування залізобетонних приставок для блискавковідводів з дерев'яними опорами дає позитивний експлуатаційний ефект. Останнім часом рекомендується громовідводи з дерев'яними опорами встановлювати на залізобетонних приставках. Зазначені громовідводи заввишки до 12 м встановлюються з одного залізобетонної приставкою, громовідводи заввишки 12 м і більше - з двома залізобетонними приставками.

Рис. 38. Кріплення блискавкоприймача до дерев'яної стійці опори блискавковідводу:

1 - блискавкоприймач - труба діаметром 3/4 ", 2 - скоба, 3 - токоотвод з круглої сталі; 4 - власник блискавкоприймача; 5-шайба для держателя блискавкоприймача.

Для блискавковідводів з дерев'яними опорами, застосовуваних в енергетиці, використовуються залізобетонні приставки дерев'яних опор ліній електропередачі 6-35 кВ або виготовляються з бетону марки 200 і вище зі сталевою арматурою марки СТЗ, Ст5. Поперечний переріз залізобетонних приставок може бути прямокутним, трапецеїдальним, двотавровим, круглим або багатогранним.

Зчленування дерев'яних стійок опор із залізобетонними приставками здійснюється при двох приставках допомогою скоб з болтами, а при одній приставці - дротяними бандажами зі скручуванням. Закріплюються громовідводи в землі з поглибленням до 2,5 м.

Заземлювачі блискавковідводів на дерев'яних опорах, як правило, виконуються із сталі.

Мінімальні розміри елементів заземлюючих пристроїв нормуються [3]. Круглі сталеві прутки, що укладаються в землі, повинні мати діаметр не менше 6 мм, прямокутні смуги - перетин не менше 48 мм2, товщину не менше 4 мм, кутова сталь - перетин не менше 48 мм2, товщину смуги не менше 4 мм, сталеві газові труби - товщину стінок не менше 3,5 мм. Найбільше поширення при виконанні заземлюючих пристроїв отримали смугова сталь шириною 20-40 мм і товщиною 4 мм, кутова сталь Ст5 і Стб і труби сталеві діаметром 50-80 мм.

 

Рис. 39. Конструкції блискавковідводів на збірних залізобетонних опорах висотою 14-22 м

Стрижневі громовідводи на залізобетонних опорах мають залізобетонну несучу конструкцію з металевим молніепріемпіком.

Раніше застосовувалися громовідводи заввишки до 16 м на опорах із збірного залізобетону (рис. 39), стійки яких представляли собою в перерізі шестигранник довжиною 12 м. На вершині стійки опори до сталевої арматури приварювалися металеві плити, на яких за допомогою зварювання зміцнювалися блискавкоприймачі із сталевих труб різного діаметру по висоті. Блискавкоприймачі оцинковувати або офарблювалися.

Опори блискавковідводів висотою 18 м і більше виконувалися з тих же 12-метрових стійок, з'єднаних із залізобетонними приставками довжиною 7,5 м. У місці зіткнення стійок опор з приставками до їх арматурі приварювалися металеві плити. Зварюванням цих плит і здійснювалося скріплення стійок з приставками. Наскрізний болт через приставки і стійку, показаний на рис. 39, є монтажним пристосуванням і служить шарніром при підйомі стійки опори на встановлених в землю приставках.

В даний час в якості несучих конструкцій блискавковідводів на залізобетонних опорах застосовуються уніфіковані залізобетонні вироби, призначені для опор високовольтних ліній електропередачі та контактної мережі електрифікованого транспорту (рис. 40).

Рис. 40. Конструкції стрижневих блискавковідводів на залізобетонних опорах:

а-з вібрувати бетону; б - м центріфугірованного бетону

Рис. 41. Стрижневі громовідводи на залізобетонних опорах:

а - блискавковідвід без прожекторної майданчика: 1 - залізобетонна стійка (несуча конструкція), 2 - залізобетонний подпятник; 3 - металевий оголовок; 4 - кріпильний елемент, 5 - металева стійка, 6 - молніепріемнік;

б - блискавковідвід з прожекторної майданчиком: 1 - залізобетонна стійка (несуча конструкція), 2 - залізобетонний подпятник; 3 - металевий оголовок; 4 - кріпильний елемент; 6 - металева стійка; 7 - молніепріемнік;

7 - прожекторна майданчик; в - огородження; 9 - сходи; 10 - кріплення сходів.

При цьому застосовується вібрувати і Центрифугувати бетон марки не нижче 300 з арматурою із сталі марок СтЗ і Ст5. Для полегшення стійки опори виконуються порожнистими. Вся арматура всередині стійок і приставок з'єднується між собою зварюванням і служить токоотводом. На відстані 2,5-3 м від нижнього кінця стійки або приставки з їх конструкції робиться металевий висновок, приварений до металевої арматури. Він служить для приєднання металевої арматури несучої конструкції до заземлювача. Заземлювачі залізобетонних стрижневих блискавковідводів виконуються з тих же матеріалів, які застосовуються в заземлителях для дерев'яних блискавковідводів.

Для захисту від прямих ударів блискавки електростанцій і підстанцій в 1976 р. Північно-Західним відділенням Енергомережпроект розроблені новітні серії стрижневих блискавковідводів на залізобетонних і металевих опорах висотою до 40 м. Так як на електростанціях і підстанціях у ВРУ потрібне гарне освітлення встановленого обладнання, для чого встановлюються освітлювальні прожектора на висоті 10-15 м, то в конструкціях стрижневих блискавковідводів передбачені майданчики для установки прожекторів. На рис. 41, а показані стрижневі громовідводи на залізобетонних опорах без прожекторної майданчики, а на рис. 41,6 - громовідводи з прожекторної майданчиком.

У блискавковідводів із залізобетонними опорами, призначених для захисту ВРУ, несучою конструкцією є залізобетонна стійка /.

Для зниження маси вона виконується полою. Форма стійки конусоподібна. Діаметр нижнього обріза становить 700-800 мм, а верхнього - 500 мм. Сталева арматура стійки зварюється і служить токоотводом. На верхній торець стійки надівається металевий оголовок 3, на якому кріпильним елементом 4 зміцнюється металева стійка 5. Металева стійка являє собою гратчасту конструкцію, зварену з сталевих куточків розмірами від 36X4 до 50X5 мм. Блискавкоприймач 6 загальною довжиною 5,71 м виконаний з круглої сталі, діаметр якої у верхній частині блискавкоприймача дорівнює 26 мм. Блискавкоприймач на довжині 0,71 м закріплений в металевій стійці. На довжині 2 м вгору від опори до стрижня блискавкоприймача під кутом 120 ° по колу приварені ребрами металеві смужки розміром 50x6 мм, які надають твердість блискавкоприймача.

У грунті блискавковідвід встановлюється на залізобетонному підп'ятнику 2 і закріплюється на глибині 3,3 м. На висоті 0,2 м від землі з конструкції стійки виводиться заставна металева деталь, поєднана зварюванням з металевою арматурою стійки, яка служить для приєднання блискавковідводу до заземлювача.

На рис. 41,6 представлений блискавковідвід на залізобетонній опорі з майданчиком для установки прожекторів.

Залізобетонна стійка /, металева стійка 5 і молніепріемнік 6 виконані так само, як і у блискавковідводів без прожекторної майданчика (мал. 41, а), але додається прожекторна майданчик 7 з огорожею 8 і сходами 9 для підйому на цей майданчик. Прожекторная майданчик виконується із сталевих прутків діаметром 12 мм, приварених до Коритне прокату. Сходи зварюється з кутової сталі розміром 40X4 і 50X4 мм зі сходами з круглої сталі діаметром 16 мм. Огорожа майданчика складається зі сталевих кутів 50X4 та круглих прутків діаметром 20 мм.

Громовідводи на залізобетонних опорах закріплюються зануренням в грунт на глибину до 3,5 м.

Найбільше поширення на електростанціях і підстанціях отримали громовідводи на металевих опорах. Для виготовлення таких блискавковідводів застосовується прокатна сталь, в основному кутова. Вся конструкція блискавковідводу для захисту від корозії покривається антикорозійним лаком № 177 у два шари з додаванням у верхній шар лаку близько 20% алюмінієвої пудри.

Стрижневі громовідводи з металевими опорами на електростанціях і підстанціях встановлюються окремо стоять з відокремленим заземленням або на конструкціях ОРУ. Як показав досвід експлуатації, установка стержневих блискавковідводів на дахах будівель електростанцій і підстанцій недоцільна. Громовідводи, встановлені на дахах будівель, скрутно експлуатувати: утруднений їх ремонт, фарбування і т. д. Крім того, кріплення блискавковідводів до конструкцій покрівлі призводить до швидкого зносу покрівлі. Тому установка блискавковідводів на дахах будівель електростанцій не рекомендується.

Рис. 42. Стрижневі громовідводи на металевих опорах Тяжпром-електропроекти:

1 - тросовий блискавковідвід (несуча конструкція), б - стрижневий блискавковідвід (несуча конструкція)

На рис. 42 представлені металеві несучі конструкції блискавковідводів, розроблені інститутом «Тяжпромелектропроект», які складаються з окремих п'ятиметрових секцій. Мінімальна висота блискавковідводу становить 10 м (дві секції), максимальна висота (включаючи молніепріемнік) - 50 м.

Однак на електростанціях і підстанціях вельми часто стрижневі громовідводи використовуються для установки прожекторів на освітлюваних ВРП. Тому для захисту від прямих ударів блискавки електростанцій і підстанцій Північно-Західне відділення Енергомережпроект розробило новітню серію стрижневих блискавковідводів на металевих опорах як з прожекторної майданчиком, так і без майданчика.

На рис. 43 показані конструкції стрижневих блискавковідводів на металевих опорах без прожекторної майданчика (мал. 43, а) і з прожекторної майданчиком (мал. 43, б). Несуча конструкція блискавковідводу / без прожекторної майданчики виконується з кутової сталі розмірами від 50X4 до 80x6 мм. Тросостойки 2 виготовляється з кутової сталі розмірами від 36x4 до 50X5. Блискавкоприймач 3 заввишки 5 м являє собою сталевий стрижень діаметром 24 мм. У нижній частині на довжині 2 м він посилений ребрами жорсткості з смуговий стали 50x4, привареній ребрами до стрижня, по колу через 120 °. Несуча конструкція блискавковідводу з прожекторної майданчиком виготовляється з кутової сталі розмірами від 65X5 до 110X8 мм. Тросостойки 2 - з кутової сталі розмірами від 36X4 до 50x5 мм. Блискавкоприймач 3 заввишки 5 м виготовляється так само, як і для стрижневих блискавковідводів з металевими опорами без прожекторної майданчика (мал. 43, а). Прожекторная майданчик 4 виконується із сталевих прутків діаметром 12 мм. Огорожа 5 майданчики складається зі сталевих куточків розміром 50X4 та круглих стрижнів діаметром 20 мм. Сходи 6 зварюється з кутової сталі розміром 40X4 і 50X4, а її щаблі з круглої сталі діаметром 16 мм.

Окремо стоять стрижневі громовідводи з металевими опорами встановлюються на залізобетонних фундаментах. Токоотводамп для таких блискавковідводів служать несучі конструкції.

На металевих і залізобетонних конструкціях ОРУ, як правило, встановлюються громовідводи з металевими несучими частинами. Конструкція їх кріплення визначається особливостями тієї конструкції ОРУ, до якої кріпиться стрижневий блискавковідвід. Зазвичай конструкція блискавковідводів, що встановлюються на конструкціях ВРУ, являє собою сталеву трубу, нерідко складається з труб декількох діаметрів. Громовідводи заввишки більше 5 м у підставі мають гратчасту конструкцію з кутової сталі.

Рис. 43. Стрижневі громовідводи на металевих опорах для захисту електростанцій і підстанцій:

а - блискавковідвід без прожекторної майданчика: 1 - сталева несуча конструкція; 2 - тросостойки; 3 - молніепріемнік; 4 - кріпильний елемент, б - блискавковідвід з прожекторної майданчиком: 1 - сталева несуча конструкція; 2 - тросостойки; 3 - молніепріемнік; 4 - прожекторна майданчик; 5 - огородження майданчика; 6 - кріпильний елемент сходів

Кріплення стрижневих блискавковідводів до конструкцій ВРП здійснюється хомутами і кріпильними танками допомогою болтів, але іноді використовується зварювання.

Рис. 44. Конструкція сітчастого блискавкоприймача (у дужках, проставлені розміри для спорудженні III категорії, без дужок-II категорії)

Струмовідводами у блискавковідводів, що встановлюються на конструкціях ВРУ, є самі ці конструкції. При захисті невибухонебезпечних будівель і споруд блискавкоприймачі укладаються безпосередньо на дах будинку, що захищається. У цьому випадку застосовуються так звані сітчасті блискавкоприймачі. Вони являють собою сітку із сталевих прутків діаметром 6-7 мм з осередками площею від 36 до 150 м2.

Для того щоб сітка не перешкоджала вільному стоку з даху будівлі атмосферних вод, її рекомендується укладати під шар гідро-і теплоізоляції. Конструктивне виконання сітчастих молніепріемніков показано на рис. 44. Струмовідводи виконуються із сталевого прута діаметром не менше 6 мм або смугової сталі перетином не менше 48 мм2 і товщиною не менше 4 мм.

Якщо захищається будівля має металеву покрівлю, то сама покрівля може служити блискавкоприймачем. Приєднання струмовідводів до металевої покрівлі, використовуваної в якості блискавкоприймача, може бути здійснено спеціальним притискним пристроєм, показаним на рис. 45.

Заземлення блискавковідводів. На електростанціях і підстанціях стрижневі громовідводи встановлюються на конструкціях ВРУ або окремо стоять поблизу від захищається. При установці стрижневих блискавковідводів на конструкціях ОРУ для їх заземлення служить заземлювальний пристрій ВРП, а окремо стоять громовідводи мають свій відокремлений заземлення, електрично не пов'язане з заземлюючим пристроєм ОРУ.

Рис. 45. Загальний вигляд затиску для приєднання струмовідводу до металевої покрівлі:

1 - зажим з оцинкованого заліза; 2 - токоотвод; 3 - металева покрівля, 4 - болт з шайбою і гайкою

Заземлювальний пристрій на електростанціях і підстанціях служить:

для забезпечення безпечної роботи обслуговуючого персоналу, так зване захисне заземлення;

для приєднання нейтралей генераторів, трансформаторів - робоче заземлення;

для приєднання засобів грозозахисту - розрядників, блискавковідводів.

Всі перераховані функції виконує один спільний заземлювальний пристрій, який вибирається по найбільш жорстким вимогам і задовольняє всім іншим.

На електростанціях і підстанціях таким заземленням є захисне заземлення. Воно, як правило, задовольняє вимогам робочого заземлення, а в багатьох випадках може служити для заземлення засобів грозозахисту і забезпечує безпечну роботу обслуговуючого персоналу.

Небезпека для обслуговуючого персоналу в електроустановках виникає тоді, коли пошкоджується ізоляція обладнання і через заземлювач проходить струм короткого замикання або струм замикання на землю. На рис. 46 показаний масляний вимикач, металевий бак якого приєднаний до заземлювача з опором Ra.

Рис. 46. Напруга дотику і кроку людини:

1 - розподіл потенціалів: 2 - розподіл напруги дотику

При пошкодженні ізоляції вимикача через заземлювач в землю буде проходити струм / 3. Приблизно на відстані близько 20 м навколо заземлювача кожна точка поверхні землі придбає потенціал. Розподіл потенціалів по поверхні землі для цього випадку представлено кривою /. Бак вимикача і заземлювач опиняться під потенціалом US = I3R3. При дотику людини до баку вимикача його руки придбають також потенціал бака і заземлювача, а ноги людини отримають потенціал Un, значення якого можна знайти по кривій /, що показує розподіл потенціалів. Отже, тіло людини піддається впливу різниці потенціалів UB-UH, яку називають напругою дотику Uпр:

Unp = U,-UB. (12)

Крива 2 на рис. 46 показує, як змінюється напруга дотику: чим ближче до баку вимикача знаходиться людина, тим менше напруга дотику. Якщо людина не стосується бака, а підходить до нього, то права і ліва його нога знаходиться кожна під своїм потенціалом, а різниця цих потенціалів називають кроковим напругою. Високі напруги дотику і кроку становлять небезпеку для людини.

При зниженні опору заземлювача знижуються напруги дотику і кроку, зменшується небезпека ураження струмом. Тому основною характеристикою заземлювачів є опір, який чинить прилегла до заземлювача земля стікає току. Опір заземлювача, яке має місце при набряканні з нього струму промислової частоти, називається стаціонарним.

Для забезпечення безпечної роботи персоналу в електроустановках значення стаціонарного опору заземлення нормується. В електроустановках понад 1000 В, що працюють з заземленою нейтраллю, де струм однофазного короткого замикання перевищує 0,5 кА, опір захисного заземлення повинен бути не більше 0,5 Ом.

В електроустановках напругою до 1000 В, що працюють з заземленою нейтраллю, опір заземлення, до якого приєднані нейтралі генераторів і трансформаторів потужністю понад 100 кВ-А, повинно бути не більше 4 Ом. При потужності генераторів і трансформаторів 100 кВ-А і менше - не більше 10 Ом.

В електроустановках до 1000 В, що працюють з заземленою нейтраллю, опір заземлення підраховується за формулою:

а в електроустановках понад 1000 В з незаземленої нейтраллю - за формулою:

де R - найбільше при обліку сезонних коливань опір заземлення, Ом; 1 - повний струм замикання на землю в установках без апаратів, компенсуючих ємнісний струм замикання на землю, А.

В електроустановках з ізольованою нейтраллю без компенсації ємнісного струму замикання на землю ємнісний струм при замиканні однієї фази на землю сягає сотень ампер і може протікати тривалий час. Опір заземлюючого пристрою в цьому випадку має бути не більше 10 Ом.

Опір заземлення в електроустановках з компенсацією ємнісних струмів підраховується також за формулами (13) і (14), але струм / замикання на землю для розрахунку заземлюючого пристрою, до якого приєднані компенсуючі апарати, приймається рівним 125% номінального струму цих апаратів, а для заземлюючих пристроїв , до яких не приєднані компенсуючі апарати, для розрахунку приймається залишковий струм замикання на землю, який може бути в даній мережі при відключенні найбільш потужного з компенсуючих апаратів, але не менше 30 А.

Нормоване значення опору захисного заземлення на електростанціях і підстанціях задовольняє вимогам робочого і грозозахисного заземлень.

Захисне заземлення на електростанціях і підстанціях виконується для всіх електроустановок змінного і постійного струму напругою 500 В і вище у всіх випадках.

В електроустановках напругою нижче 500 В, за винятком установок змінного струму 36 В і нижче, захисне заземлення виконується тільки в приміщеннях з підвищеною небезпекою, особливо небезпечних і в зовнішніх установках, а в установках 36 В і нижче воно здійснюється лише у вибухонебезпечних установках.

Конструктивно заземлюючі пристрої електростанцій і підстанцій являють собою вертикальні сталеві електроди довжиною до 5 м, занурені в грунт, верхні кінці яких з'єднані сталевий смугою і утворюють сітку. Кількість електродів і розмір сітки визначаються розрахунком. Таким чином, стаціонарне заземлення електростанцій і підстанцій залежить від його геометричних розмірів і питомого опору грунту.

Грунт в сухому стані має великий опір розтікання струму. При зволоженні грунту наявні в ньому солі і кислоти утворюють електроліти, які і визначають в основному його електропровідність. Чим більше вологоємність грунту, тим більше його електропровідність. Наближені питомі опору деяких грунтів наводяться нижче:

При розрахунках заземлюючих пристроїв потрібно враховувати зміни питомого опору грунту залежно від пори року.

Якщо вимірювання питомого опору грунту проводилося не в найбільш важкий (розрахунковий) сезон, наприклад взимку, то для розрахунку захисних і робочих опорів виміряне питомий опір грунту потрібно помножити на сезонний коефіцієнт k.

Для розрахунку заземлень грозозахисту питомий опір грунту вимірюється в умовах грозового сезону і також множиться на сезонний коефіцієнт k.

Значення сезонного коефіцієнта k залежно від вологості грунту наведено нижче:

Стаціонарне опір одного вертикально забитого заземлюючого електрода (опір розтікання струму промислової частоти) RD підраховується за формулою:

де р - питомий опір грунту, Ом-м; 1 - довжина електрода, м; d - зовнішній діаметр електрода, м.

Стаціонарне опір горизонтального заземлювача розраховується за формулою:

де I - довжина горизонтального заземлювача, м; d - діаметр круглої сталі або половина ширини сталевої смуги, м; 1 - глибина закладання в грунт, м.

Відповідно до формул (15) і (16) вертикальний стрижень довжиною 2,5-3 м у суглинистому грунті (р = 100 Ом-м) має опір приблизно 30 Ом, а горизонтальна смуга завдовжки 5 м, укладена на глибині 0,5-0 , 7 м, - 25 Ом, що не задовольняє вимогам, що пред'являються до опору заземлення електростанцій і підстанцій. Тому заземлювальний пристрій електростанцій і підстанцій виконується з великої кількості вертикальних і горизонтальних електродів.

При близькому розташуванні електродів один від одного опір кожного з них підвищується, що пояснюється взаємним екрануванням електродів. Справа в тому, що при стікання струму з одиночного електрода навколо нього утворюються рівномірно розташовані лінії струму.

У складному заземлителе ця рівномірність порушується, тому що лінії струму одного електрода витісняють лінії струму сусіднього електрода (рис. 47). У результаті опір кожного електрода зростає із зменшенням відстані між електродами.

Коефіцієнт, що враховує збільшення опору електрода в складному заземлителе внаслідок їх взаємного екранування, називається коефіцієнтом використання заземлювача. Він залежить від конструктивного виконання заземлювача і, як правило, менше одиниці. Значення коефіцієнта використання ηтр трубчастих заземлювачів, розміщених в ряд, без урахування впливу смуги, яка зв'язує їх, наведено в табл. 2.

Рис. 47. Лінії струму в складному заземлителе при малій відстані між електродами

Таблиця 2

Отношение расстояния между трубами к длине трубы	Число труб и	Коэффициент использования Чтр
1	2	0,84—0,87
2	2	0,90—0,92
3	2	0,93—0,95
1	5	0,67—0,72
2	5	0,79—0,83
3	5	0,85—0,88
1	10	0,56—0,62
2	10	0,72—0,77
3	10	0,79—0,83
1	20	0,47—0,50
2	20	0,65—0,70
3	20	0,74—0,79

Значення коефіцієнта використання nп, трубчастих заземлювачів, розміщених в ряд і з'єднаних смугою, дані в табл. 3.

Для заземлювального пристрою електростанцій і підстанцій використовуються як штучні, так і природні заземлювачі.

Штучні заземлювачі складаються з горизонтальних паралельних і пересічних між собою сталевих смуг, що утворюють на площі підстанції сітку. Смуги об'єднують вертикальні електроди, розташовані всередині і по контуру, овативающему відкриті і закриті розподільні пристрої.

Таблиця 3

Отношение расстояния между трубами к длине трубы	Коэффициент использования ηn трубчатых заземлителей при числе труб в ряду
	4	8	10	20	30	50	65
1 2  3	0,77  0,89  0,92	0,67 0,79 0,85	0,62  0,75 0,82	0,42  0,50  0,68	0,31 0,46 0,58	0,21  0,36  0,49	0,20 0,34 0,47

Розрахунок такого контуру вимагає великої кількості обчислень.

Простіший спосіб розрахунку складних заземлювачів здійснюється за формулою, отриманої в результаті фізичного моделювання в електролітичній ванні:

(17)

де R - опір складного заземлювача, Ом; L - сумарна довжина всіх горизонтальних електродів, м; 1 - довжина одного вертикального електрода, м; п - число вертикальних електродів; - сторона еквівалентного квадрата площі контуру підстанції, яка визначається за площею S заземлюючого контуру, м; Л - коефіцієнт, що залежить від величини відношення IfVS.

Значення коефіцієнта А залежно від lf \ / S наведено нижче:

/ / 1 / s "... про 0,02 0,05 0,1 0,2 0,5

А. .... 0,44 0,43 0,4 0,37 0,33 0,26

Розрахункова еквівалентне питомий опір грунту ре визначається по кривих (рис. 48), побудованим на основі аналітичних розрахунків ВІЕСХ і методів фізичного моделювання для різних відносин pi / рг двошарового грунту і різних типів заземлювачів, Ом-м.

На рис. 48 представлені криві залежності еквівалентного питомого опору ре, віднесеного до питомою опору другого шару грунту рг, від геометричних розмірів контуру і його розташування в грунті. Криві побудовані для різних відносин pi / pa.

Для побудови подібних залежностей методом вертикального електричного зондування (ВЕЗ) визначаються: товщина першого шару (верхнього) грунту Я, його питомий опір pi і питомий опір другого шару грунту р2.

Знаючи геометричні розміри заземлювача А, I і його розміщення в грунті, можна визначити розрахункове еквівалентне питомий опір ре по кривих рис. 48.

Припустимо, в результаті вимірювань ВЕЗ отримано: pi = 300 Ом-м; р2 = 100 Ом-м; Я = 2,5 м. Геометричні розміри / = а = 5 м; ft = 0,5 м. Тоді

_ 300 _ 3, H - h = 2,5 - 0,5 = q 4. А_ _ j р2 ~ 100 ~ ~ '/ 5' 'I'

По кривих рис. 32 знаходимо ре/р2 = 1,2, звідки ра = 1,2-100 = 120 Ом-м, яке і підставляється у формулу (17).

Такі криві побудовані для різних геометричних розмірів заземлюючих контурів, що враховують впливу неоднорідності землі на їх опір і на напругу дотику.

Природними заземлювачами на електростанціях і підстанціях можуть служити: заземлювачі опор ліній електропередачі, приєднані до заземлювача підстанції тросом через лінійний портал, металеві оболонки кабелів, водопровідні та інші металеві трубопроводи

Рис. 48. Відносне еквівалентне питомий опір ре/р2, що враховує вплив неоднорідності землі

Зроблені розрахунки показали, що, з одного боку, виконання захисних заземлень з опором 0,5 Ом в деяких випадках зустрічає значні труднощі (високі питомі опору грунту, малі майданчики підстанцій тощо), а з іншого - у ряді випадків безпечні напруги в електроустановках з заземленою нейтраллю можуть бути досягнуті при більшому, ніж 0,5 Ом, значенні опору, що дає економію металу при виконанні заземлюючих пристроїв електростанцій і підстанцій.

Тому з квітня 1977 введені в дію норми на найбільше допустиме напруження на заземлювальному пристрої і напруги дотику відповідно з тривалістю проходження струму короткого замикання, обумовленою сумою часу дії релейного захисту та часу відключення вимикача [4]:

Тривалість дії, з ...... До 0,1 0,2 0,5 0,7 1,0 3 і більше

Найбільше припустиме напруга дотику, В. . . 500 400 400 130 100 65

Крім того, найбільше допустиме напруження на заземлювальному пристрої не повинно перевищувати 10 кВ. Надалі захисні заземлення розподільних пристроїв і трансформаторних підстанцій вище 1000 В з глухим заземленням нейтралі можуть виконуватися за нормами на найбільше допустиме напруження на заземлювальному пристрої і напруга дотику, які забезпечать безпеку персоналу. Розрахунок заземлюючих пристроїв на напругу дотику проводиться за допомогою ЕОМ.

Захисне заземлення на електростанціях і підстанціях задовольняє вимогам робочих заземлень і заземлень засобів грозозахисту. Однак при приєднанні засобів грозозахисту до захисних заземлень електростанцій і підстанцій необхідно враховувати їх особливості.

Справа в тому, що захисні і робочі заземлювачі відводять в землю струм промислової частоти і їх опір є стаціонарним, тоді як через засоби грозозахисту проходить струм блискавки, який має імпульсну форму. При проходженні імпульсного струму через заземлювач створюються специфічні умови, яких не виникає при проходженні струму промислової частоти.

При стікання з заземлювачів великих струмів блискавки в землю поблизу поверхні електродів створюються дуже високі напруженості електричного поля, під впливом яких пробивається шар землі, що прилягає до поверхні електрода.

Навколо електрода утворюється провідна зона іскріння, яка як би збільшує поперечні розміри електрода і тим самим знижує його опір. Однак найбільший ефект зниження опору за рахунок іскріння має місце тільки в тому випадку, коли електроди мають невеликі розміри і їх індуктивний опір практично не впливає на процес відведення струму в землю.

Такі заземлювачі називаються зосередженими. Значення опору зосереджених заземлювачів при імпульсах менше, ніж при струмі промислової частоти. Якщо заземлювач має велику довжину, то його індуктивність робить значний вплив на процес відведення струму блискавки в землю і її вплив збільшується при зменшенні тривалості фронту імпульсу струму і питомого опору грунту і при збільшенні довжини заземлювача.

Заземлювач великої протяжності при проходженні через нього струму блискавки являє собою провідник, розділений на дві частини індуктивним опором, як це показано на рис. 49. Через швидке наростання струму блискавок (крутий фронт імпульсу) індуктивність буде перешкоджати проходженню струму по заземлювача.

Дистанційні частини заземлювача Б-В не встигають включитися в процес відведення струму блискавки в землю і знижують ефективність дії заземлювача. Заземлювачі, в яких має місце такий процес, називають протяжними.

У протяжних заземлювачів при проходженні струму блискавки опір виявляється більше, ніж при проходженні струму промислової частоти. Ось чому непридатні для відводу струмів блискавки «виносні заземлювачі» електростанцій і підстанцій, які влаштовуються в річках і болотах, мають низькі опору, але далеко відстоять від майданчика підстанції і являють собою протяжні заземлювачі.

Зміна опору заземлювачів при проходженні через них струму блискавки в залежності від їх конструкції (протяжність) враховується імпульсним коефіцієнтом <хи, який чисельно дорівнює відношенню опору Z "в імпульсному режимі до опору при промисловій частоті R, тобто

Рис. 49. Схема роботи протяжного заземлювача при відведенні імпульсних струмів блискавки в землю:

% L - індуктивний опір заземлювача; А - місце входу струму блискавки; Б-В - ділянка заземлення, віддалений від місця вводу струму блискавки

(19)

Звідси імпульсний опір Z "може бути знайдено за формулою

Z "= a" R,

де R - стаціонарне опір, Ом; АІ - коефіцієнт імпульсу.

Коефіцієнт імпульсу може бути менше, більше і дорівнює одиниці залежно від того, який процес превалює при проходженні струму блискавки: іскроутворення або велике індуктивний опір. При сильному іськрообразованії і невеликий індуктивності (зосереджені заземлювачі) опір заземлювача знижується, коефіцієнт імпульсу менше одиниці. При великій індуктивності (протяжні заземлювачі) коефіцієнт імпульсу більше одиниці. У тому випадку, коли ефект іскроутворення компенсує вплив великої індуктивності на опір заземлювача, коефіцієнт імпульсу дорівнює одиниці.

Імпульсний коефіцієнт заземлювачів залежить не тільки від його геометричних розмірів, але і від питомого опору грунту р і струму блискавки / м.

На рис. 50 показана залежність імпульсного коефіцієнта вертикальних заземлювачів від характеру грунту р і параметрів струму блискавки (/ м, Екр).

Як видно з рис. 50, із збільшенням струму блискавки, що стікає із заземлювача, і з збільшенням питомого опору грунту імпульсний коефіцієнт знижується. При великих амплітудах струму блискавки збільшується щільність стікає з заземлювача струму, що призводить до розвитку іскровий зони навколо заземлювача і знижує його опір.

Збільшення питомої опору грунту також сприяє розвитку іскровий зони, значення якої залежить від пробивний напруженості грунту Епр. Найменше значення Ещ, спостерігається в грунтах з питомим опором близько 500 Ом-м і при предразрядном часу 3-5 мкс і складає 6-12 кВ / см.

Рис. 50. Імпульсні коефіцієнти вертикальних заземлювачів

Треба мати на увазі, що при стікання імпульсного струму блискавки контур захисного заземлення підстанції, яка має значні розміри, буде вести себе як протяжний заземлювач, для якого імпульсний опір може бути значно більше його стаціонарного опору через переважаючого впливу індуктивності над іскровим процесом.

З рис. 51 видно, як змінюються стаціонарне і імпульсне опору заземлювача підстанції залежно від його геометричних розмірів і питомого опору грунту. Заземлювач з сіткою площею S = 6400 м2 (V-5 = 80 м), що складається з 16 вертикальних електродів (п = 16) довжиною по 8 м (/ = 8 м) кожен, при питомому опорі грунту майданчика підстанції р = 400 Ом- м має стаціонарне заземлення R = 2,2 Ом, а імпульсна при 100 кА і т = 6 мкс Z "= 2,5 Ом, тоді як контур з сіткою площею 400 м2 (~ \ / S = 20 м), що складається з чотирьох вертикальних електродів (п = 4) довжиною по 8 м (/ = 8 м) кожен, при тому ж питомому опорі грунту 400 Ом-м має відповідно>? = 6,9 Ом, ZH = 6,1 Ом.

Якщо при великій площі заземлюючого контуру (S = 6400 м2) імпульсний опір було більше стаціонарного, то при меншій площі (S = 400 м2), навпаки, стаціонарне заземлення більше імпульсного. З рис. 51 також видно, що зі збільшенням площі, займаної заземлювачів, значно знижується як стаціонарне, так і імпульсне його опір.

У складних заземлителях явище взаємного екранування спостерігається як при токах промислової частоти, так і при імпульсних токах. Однак коефіцієнт використання складних заземлювачів при імпульсних токах нижче, ніж при токах промислової частоти. Таким чином, при установці стрижневих блискавковідводів на конструкціях ВРУ, коли заземлювачів блискавковідводу служить заземлюючий контур підстанції, що має значні розміри, його слід вважати протяжним.

Для заземлення окремо стоять стрижневих блискавковідводів виконується свій відокремлений, що не поєднане з контуром підстанції заземлення. Воно складається з невеликого числа вертикальних електродів, об'єднаних між собою горизонтальною смугової або круглої сталлю.

Рис. 51. Залежності стаціонарного опору і імпульсного опору (при / м = 40-100 кА) сіток і сіток з вертикальними електродами від питомого опору грунту: 1 - / м -40 кА; 2 - 1та -100 кА

У табл. 4 наводяться різні варіанти конструктивного виконання заземлювачів, що забезпечують при мінімальних витратах металу імпульсний опір 10 Ом при струмі блискавки 100 кА в грунтах з питомим опором р = 100-650 Ом-м.

Таблиця 4