Защита станций и подстанций от прямых ударов молнии

Необходимость защиты РУ и ПС 20-750 кВ от ПУМ определяется единичной мощностью трансформаторов N, числом грозовых часов в году (δ), а также удельным сопротивлением грунта (ρ):

Не требуется защита для:

- ПС 20 и 35 кВ в случаях:

- N≤1,6 МВА, δ – любое или

- P₀ < 20 Ом·м

- ОРУ и ПС 220 кВ и ниже при ρ ≥ 2000 Ом·м, P₀ ≤ 20 г.ч

- ЗРУ и ЗПС при P₀ ≤ 20 г.ч.

Расчетное значение надежности защиты станций и ПС от прямых ударов молнии выбирают в зависимости от степени ответственности защищаемого объекта, от тяжести ущербов, возникающих при его поражении, интенсивности грозовой деятельности и пр. Наибольшая надежность грозозащиты должна обеспечиваться следующим объектам: ОРУ вместе с его шинными мостами и гибкими связями; зданиям машинного зала и ЗРУ; зданиям трансформаторной башни, маслохозяйства, нефтехозяйства, электролизной и ацетилено-генераторной станции; угледробилке, вагоноопрокидывателям, резервуарам с горючими жидкостями или газами; местам хранения баллонов с водородом; градирням и дымовым трубам. Электрические цепи 6 и 10 кВ, имеющие гальванические связи с генераторным напряжением, также защищаются от прямых ударов молнии.

Для защиты ОРУ от прямых ударов молнии применяются стержневые и тросовые молниеотводы. Последние в основном используются для защиты ошиновки большой протяженности. Наиболее простым и дешевым решением является расположение молниеотводов на порталах ОРУ. При такой схеме молниезащиты высока вероятность обратных перекрытий при ударах молнии в молниеотводы и заземляющие конструкции ОРУ.

ПУЭ ограничивают возможность такого варианта установки молниеотводов следующим образом.

На конструкциях ОРУ 110 кВ и выше стержневые молниеотводы могут устанавливаться при эквивалентном удельном сопротивлении земли в грозовой сезон: до 1000 Ом·м ‒ независимо от площади заземляющего устройства ПС; более 1000 до 2000 Ом·м ‒ при площади заземляющего устройства ПС 10 000 м² и более.

Установка молниеотводов на конструкциях ОРУ 35 кВ допускается при эквивалентном удельном сопротивлении земли в грозовой сезон: до 500 Ом·м ‒ независимо от площади заземляющего контура ПС, более 500 Ом·м ‒ при площади заземляющего контура ПС 10 000 м² и более.

От стоек конструкций ОРУ 35 кВ и выше с молниеотводами должно быть обеспечено растекание тока молнии по магистралям заземления не менее чем в двух направлениях с углом не менее 90º между соседними. Кроме того, должно быть установлено не менее одного вертикального электрода длиной 3‒5 м на каждом направлении, на расстоянии не менее длины электрода от места присоединения к магистрали заземления стойки с молниеотводом.

Если зоны защиты стержневых молниеотводов не закрывают всю территорию ОРУ, дополнительно используют тросовые молниеотводы, расположенные над ошиновкой.

В допустимых случаях следует для ОРУ 35-150 кВ следует предусмотреть меры по предотвращению обратных перекрытий путем устройства дополнительного сосредоточенного заземлителя в месте входа тока молнии в землю. Для ОРУ 220 кВ и выше обратные перекрытия практически исключены.

Надежность защиты ОРУ станций и подстанций от прямых ударов молнии характеризуется числом случаев перекрытия изоляции при прорывах молнии через зону защиты молниеотводов и обратных перекрытий при ударах молнии в молниеотводы (для ОРУ 35-150 кВ) в год. Это число может быть определено по формуле:

N_п._у = р_о (а_т+2R_экв) (b_т+2R_экв) (η_пр Р_α Р_пр+η_оп Р_оп) · 10^-6,    (6.86)

где а_т, b_т ‒ длина и ширина территории ОРУ, м; R _экв и р_о ‒ как в формуле (6.91);   η_пр, η_оп ‒ вероятность перехода импульсного перекрытия изоляции в силовую дугу, соответственно, при разрядах молнии в ОРУ, минуя молниеотводы, и при обратных перекрытиях (в расчетах принимается равной 0,9); Р_α ‒ вероятность грозового поражения ошиновки ОРУ, минуя молниеотводы; Р_оп ‒ вероятность обратного перекрытия (может быть определена с помощью методов расчета обратных перекрытий, используемых для ВЛ); Р _пр ‒ доля опасных грозовых перенапряжений, возникающих при непосредственном грозовом разряде в ошиновку ОРУ, минуя молниеотводы.

Наряду со значением N_п.у в качестве показателя надежности ПС используется обратная величина:

,                                        (6.87)

которая характеризует среднюю повторяемость (в годах) опасных перенапряжений на ПС из-за грозовых разрядов непосредственно в ЗРУ или ОРУ.

Если при установке молниеотводов на конструкциях ОРУ необходимая грозоупорность не может быть достигнута или порталы не рассчитаны на установку молниеотводов, грозозащиту следует выполнять отдельно стоящими молниеотводами с обособленными заземлителями, которые при хороших грунтах допускается подключать к контуру заземления подстанции. Сопротивление заземления молниеотвода при этом определяется сопротивлением заземления части контура подстанции в радиусе 20 м от места присоединения к нему заземляющего спуска молниеотвода.

Расстояние по воздуху L _B от отдельно стоящего молниеотвода с обособленным заземлителем до токоведущих частей ОРУ, а также до ЗРУ, зданий и сооружений должно удовлетворять условиям:

L _B ≥ (0,12 R _з +0,1 H_U); и L _B ≥ 5 м,                  (6.88)

где Н_U ‒ высота до точки возможного перекрытия над уровнем земли, м.

В грунтах с низкой проводимостью соединение заземлителя отдельно стоящего молниеотвода с контуром подстанции не допускается. Для предотвращения выноса высокого потенциала расстояние L _з между обособленным заземлителем отдельно стоящего молниеотвода и ближайшей к нему точкой заземляющего контура подстанции, ЗРУ, зданий и сооружений следует определять из условий:

L _з ≥ 0,2 R _з и L _з ≥ 3 м,                      (6.89)

где R _з ‒ сопротивление заземления отдельно стоящего молниеотвода, значение которого в соответствии с ПУЭ должно быть не более 80 Ом при импульсном токе 60 кА.

При этом тросовая защита ВЛ не должна соединяться с порталами ОРУ: последний пролет ВЛ следует защищать отдельно стоящими молниеотводами.

При установке на конструкциях с молниеотводами, имеющими обособленные заземлители, светильников, радиоантенн или электрооборудования напряжением до 1000 В необходимы мероприятия по защите цепей электропроводки от грозовых повреждений, выноса высокого потенциала на контур заземления ОРУ и в цепи вторичной коммутации. Электропроводку рекомендуется прокладывать в металлической трубе на всем протяжении от электрооборудования на конструкции с молниеотводом до места присоединения к контуру заземления ОРУ и ввода в кабельный канал. Расстояние в земле от спуска трубы в землю до места присоединения к заземляющему контуру ОРУ (L _т, м) должно удовлетворять условиям:

L _т ≥ 0,6 R _з и L _т ≥ 10 м.                        (6.90)

Для увеличения скорости спада грозового перенапряжения вдоль трубы на ней рекомендуется устанавливать ряд вертикальных заземляющих электродов. В месте ввода в кабельный канал трубу с кабелем следует присоединить к контуру заземления ОРУ и соединить с оболочками других кабелей. По концам кабеля идущего от конструкции с молниеотводом, во взрывоопасных помещениях рекомендуется устанавливать защитные аппараты ‒ ОПН.

Установка молниеотводов на зданиях ЗРУ не является обязательной. В случае выполнения кровли здания полностью из металла или применения металлических несущих конструкций достаточно заземлить металлические части кровли. Плоскую неметаллическую или железобетонную кровлю защищают наложением молниеприемной сварной сетки из стальной проволоки непосредственно на кровлю или под слой негорючего утеплителя или гидроизоляции. При этом для предотвращения нежелательной разности потенциалов между различными металлическими элементами здания (трубы, вентиляционные устройства, заземляющие спуски и пр.) они должны быть соединены между собой.

При использовании в качестве молниеприемной сетки стальной арматуры железобетонных плит кровли возможно щепление бетона. Этот способ грозозащиты зданий не рекомендуется в сильногрозовых районах. Защита зданий ЗРУ от прямых ударов экономически оправдана при интенсивности грозовой деятельности 20 грозовых часов в год и более. Число грозовых разрядов в сооружение N_с определяется по формуле:

 

N_c = р_о (а_с + 2R_экв)(b_c + 2 R_экв) · 10^-6,                     (6.91)

 

где а_с, b_c, h_c ‒ длина, ширина и высота сооружения, м; R _экв ‒ эквивалентная ширина, с которой сооружение собирает боковые разряды молнии, м:

при h_c ≤ 30 м ;

при h_c > 30 м R _экв = 0,75 (h_c + 90).

Здания с неметаллической или железобетонной кровлей допускается не защищать, если N_c < 0,05 в год.

Для предотвращения обратных перекрытий с заземляющих спусков и металлических конструкций здания на ошиновку и оборудование ЗРУ, а также на токоведущие части наружных вводов должны быть приняты меры по улучшению экранировки здания за счет увеличения числа заземляющих спусков, их объединения (на крыше и у фундамента) и уменьшения сопротивления заземляющего контура.