Молниезащита и заземление

                                                                                   

 

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ  И НАУКИ, МОЛОДЕЖИ И СПОРТА УКРАИНЫ

НАЦИОНАЛЬНЫЙ  ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

«ХАРЬКОВСКИЙ  ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ»

 

Кафедра инженерной электрофизики

 

 

 

РАСЧЕТНО-ГРАФИЧЕСКОЕ  ЗАДАНИЕ 

По курсу: «Техника высоких  напряжений»

На тему: Молниезащита и заземление

 

 

 

                                                                            Выполнила:

                                                                                   Студентка группы ФТ-47

                                                                           Дихтяренко Неля Сергеевна

                                                                   з/книжка № ФТ-55/07

                                                                            Проверила:

                                                                                    Преп. каф. ИЭФ

                                                                            Лысенко Виталия Олеговна

 

 

Харьков 2010

СОДЕРЖАНИЕ

Задание……………………………………………………………………...3

Введение…………………………………………………………….……....4

1. Теоретическая часть……………………………………………….………. ...5
1. Краткие сведения о молнии………………………………………….....5
2. Расчет зон защиты………………………………………………….................7

         2.1Расчет зон защиты молниеотводами для подстанции на 110 кВ……..7

           2.1.1 Расчет зоны защиты подстанции одиночным стержневым молниеотводом………………………………………………………………………...7

           2.1.2Расчет зоны защиты подстанции двумя молниеотводами равной высоты……………………………………………...……………...………………8

3. Заземлители………………………………….………………………….……10
1. Краткие сведения о конструкции заземлителей………………..……10
2. Расчет заземления для отдельных объектов …….............…………..11

Список источников информации…………………………………………….....14

Приложение  А……………………………………………………………………15

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ЗАДАНИЕ

           На предложенной однотрансформаторной подстанции на 110 кВ требуется:

1 Определить  наиболее оптимальные места расположения  молниеотводов, обеспечивающих защиту оборудования подстанции и их высоту.

2 Рассчитать  параметры заземления подстанции.

Известно, что удельное сопротивление грунта, без учёта сезонного коэффициента, для местности расположения данной подстанции  ρгр=400 Ом*м , а вероятность прорыва молнии составляет 0.01

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ВВЕДЕНИЕ

          Молния представляет собой электрический разряд длиной в несколько километров, развивающийся между грозовым облаком и землей или каким-либо наземным сооружением.

         Удар молнии может привести к неблагоприятным последствиям: повреждение сооружений, разрушение электропроводки,  и электронных устройств, нанесения вреда людям. С целью уменьшения риска появления подобного рода последствий применяются молниеотводные установки, рассчитанные на непосредственный контакт с каналом молнии и отводящие ее ток в землю.

         Защитное действие молниеотвода основано на свойстве молнии с большей вероятностью поражать более высокие предметы по сравнению с расположенными рядом объектами меньшей высоты. Молниеотводная установка обычно состоит из нескольких частей:1) молниеприёмник , установленный на опоре , который притягивает на себя разряд молнии ; 2) проводник ( токоотвод ) , по которому разряд без причинения вреда сооружению «стекает» к заземлителю; 3) заземлитель, передающий разряд на землю.

         На практике эти элементы образуют единую конструкцию , например металлическая мачта или ферма здания представляет собой молниеприёмник, опору и токоотвод одновременно .

         Помимо использования в молниеотводных установках, заземлители также предохраняют людей и животных от поражения током ,и обеспечивают надежную работу оборудования (ограничивают импульсное напряжение на металлических конструкциях). Ими оборудуют все устройства, потребляющие электроэнергию : силовые трансформаторы, коммуникационное оборудование. Системы передачи данных, управления, контроля и изменения и др.

 

      

 

 

 

 

1 ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ  ЧАСТЬ

1. Краткие сведения о молнии

           Молния — гигантский электрический искровой разряд в атмосфере. Электрическая природа молнии была раскрыта в исследованиях американского физика Б. Франклина, по идее которого был проведён опыт по извлечению электричества из грозового облака.

           Процесс развития наземной молнии состоит из нескольких стадий. На первой стадии, в зоне, где электрическое поле достигает критического значения, начинается ударная ионизация, создаваемая вначале свободными зарядами, всегда имеющимися в небольшом количестве в воздухе, которые под действием электрического поля приобретают значительные скорости по направлению к земле и, сталкиваясь с молекулами, составляющими воздух, ионизуют их. По более современным представлениям, разряд инициируют высокоэнергетические космические лучи, которые запускают процесс, получивший название пробоя на убегающих электронах[1]. Таким образом возникают электронные лавины, переходящие в нити электрических разрядов — стримеры, представляющие собой хорошо проводящие каналы, которые, сливаясь, дают начало яркому термоионизованному каналу с высокой проводимостью — ступенчатому лидеру молнии.Движение лидера к земной поверхности происходит ступенями в несколько десятков метров со скоростью ~ 50 000км/с, после чего его движение приостанавливается на несколько десятков микросекунд, а свечение сильно ослабевает; затем в последующей стадии лидер снова продвигается на несколько десятков метров. Яркое свечение охватывает при этом все пройденные ступени; затем следуют снова остановка и ослабление свечения. Эти процессы повторяются при движении лидера до поверхности земли со средней скоростью 200 000м/с.

            По мере продвижения лидера к земле напряжённость поля на его конце усиливается и под его действием из выступающих на поверхности Земли предметов выбрасывается ответный стример, соединяющийся с лидером. Эта особенность молнии используется для создания молниеотвода.

           В заключительной стадии по ионизованному лидером каналу следует обратный (снизу вверх), или главный, разряд молнии, характеризующийся токами от десятков до сотен тысяч ампер, яркостью, заметно превышающей яркость лидера, и большой скоростью продвижения, вначале доходящей до ~ 100 000 км/с, а в конце уменьшающейся до ~ 10 000км/с. Температура канала при главном разряде может превышать 25 000 °C. Длина канала молнии может быть от 1 до 10 км, диаметр — несколько сантиметров. После прохождения импульса тока ионизация канала и его свечение ослабевают. В финальной стадии ток молнии может длиться сотые и даже десятые доли секунды, достигая сотен и тысяч ампер. Такие молнии называют затяжными, они наиболее часто вызывают пожары.

            Главный разряд разряжает нередко только часть облака. Заряды, расположенные на больших высотах, могут дать начало новому (стреловидному) лидеру, движущемуся непрерывно со скоростью в тысячи километров в секунду. Яркость его свечения близка к яркости ступенчатого лидера. Когда стреловидный лидер доходит до поверхности земли, следует второй главный удар, подобный первому. Обычно молния включает несколько повторных разрядов, но их число может доходить и до нескольких десятков. Длительность многократной молнии может превышать 1 сек. Смещение канала многократной молнии ветром создаёт так называемую ленточную молнию — светящуюся полосу.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 РАСЧЕТ ЗОН  ЗАЩИТЫ

2.1 Расчет зон защиты молниеотводами для подстанции на 110 кВ

         2.1.1 Расчет зоны защиты подстанции  одиночным стержневым молниеотводом

           Зона защиты одиночного стержневого молниеотвода высотой h представляет собой круговой конус (рис. 2.1), вершина которого находится на высоте h0 <  h. На уровне земли зона защиты образует круг радиусом r0. Горизонтальное сечение зоны защиты на высоте защищаемого сооружения hx представляет собой круг радиусом rx.

           Рисунок 2.1−Зона защиты одиночного стержневого молниеотвода

           Зоны защиты одиночных стержневых молниеотводов высотой h≤150 м имеют следующие габаритные размеры.

                                         h0 = 0,85h                                                       (2.1)

                                         r0 = (1,1 - 0,002h)h                                         (2.2)

                                        rx = (1,1 - 0,002h)(h - hx/0,85).                       (2.3)

           Рассчитаем зону защиты для трансформатора подстанции.Как видно, r0=16 м, следовательно, из формулы (2.2) h=21,8 м. Тогда из формулы (2.1) h0=18,5 м.Также  по данным чертежа подстанции hx=6,6 м, следовательно, из формулы (2.3) rx=14,84 м.

           Таким образом, пользуясь такой методикой расчета, можем сделать вывод, что один молниеотвод рассчитанной высоты не может защитить все объекты , находящиеся на данной площади подстанции. Далее ведём расчет зон защиты данной подстанции двух молниеотводов одинаковой высоты.

2.1.2 Расчет зоны защиты подстанции двумя молниеотводами равной высоты

           Зона защиты двойного стержневого молниеотвода высотой h < 150 м представлена на рис. 2.2 Торцевые области зоны защиты определяются как зоны одиночных стержневых молниеотводов, габаритные размеры которых h0, r0, rx1, rx2 определяются по формулам (2.1), (2.2),(2.3).

 

 

           Рисунок 2.2−Зона защиты двойного стержневого молниеотвода

            Учитывая предыдущий расчет, имеем: h=21,8 м, h0=18,5 м, r0 = 16 м, hx1=10,7 м, hx2 =10,7 м,L=27м. внутренние области зон защиты двойного стержневого молниеотвода рассчитываются по следующим формулам :   

При h < L < 2h                  

                                    hc = h0 - ( 0,17+0,0003 h ) ( L- h)                                                   (2.4)

                                                             rc = r 0                                                                                     (2.5)

                                                   r cx1 = rc (h c - h x1) / h c                                                                      (2.6)

                                                rcx2=rc ( hc – hx2) / hc                                                                    (2.7)

                                                                 

 

          Сделав  расчет формул, получаем: из формулы (2.4) hc =17,57 м, тогда из формулы (2.5)   rc =16 м, следовательно, из формулы (2.6)  r cx1=6,26 м, а из формулы (2.7)   rcx2 =6,26 м

         Представим  рассчитанные зоны защиты на рисунке 2.3

       

          Рисунок 2.3− Зона защиты подстанции на 110 кВ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3 ЗАЗЕМЛИТЕЛИ

3.1 Краткие сведения  о конструкции заземлителей 

           Одним из эффективных способов ограничения грозовых перенапряжений в цепи молниеотвода, а также на металлических конструкциях и оборудовании объекта является обеспечение низких сопротивлений заземлителей. Поэтому при выборе молниезащиты нормированию подлежит сопротивление заземлителя или другие его характеристики, связанные с сопротивлением.

               Защитное действие заземления основано на двух принципах:

- уменьшение до безопасного значения разности потенциалов между заземляемым проводящим предметом и другими проводящими предметами, имеющими естественное заземление.

- отвод тока утечки при контакте заземляемого проводящего предмета с фазным проводом. В правильно спроектированной системе появление тока утечки приводит к немедленному срабатыванию защитных устройств (устройств защитного отключения — УЗО).

         Импульсное сопротивление заземлителя является количественной характеристикой сложных физических процессов при растекании в земле токов молнии. Его значение отличается от сопротивления заземлителя при растекании токов промышленной частоты и зависит от нескольких параметров тока молнии (амплитуды, крутизны, длины фронта), варьирующихся в широких пределах. С увеличением тока молнии импульсное сопротивление заземлителя падает, причем в возможном интервале распределения токов молнии (от единиц до сотен кА) его значение может уменьшаться в 2-5 раз. При проектировании заземлителя нельзя предсказать значения токов молнии, которые будут через него растекаться, а следовательно, невозможно оценить наперед соответствующие значения импульсных сопротивлений. В этих условиях нормирование заземлителей по их импульсному сопротивлению имеет очевидные неудобства. Разумнее выбрать конкретные конструкции заземлителей по следующему условию. Импульсные сопротивления заземлителей во всем возможном диапазоне токов молнии не должны превышать указанных максимально допустимых значений.