3.6. Молниезащитные устройства
Воздушная линия электропередачи (ВЛЭП) является самым протяженным элементом электрической системы. Это и наиболее распространенный элемент системы, который наиболее часто подвергается ударам молнии. Статистика аварий в энергосистемах показывает, что 75-80 % аварийных отключений воздушных линий электропередачи связаны с грозовыми отключениями.
Технико-экономический анализ показывает, что выполнить воздушные линии электропередачи абсолютно грозозащищенной нельзя. Приходится сознательно идти на то, что воздушные линии электропередачи какое-то ограниченное число раз в год будет отключаться. В задачу грозозащиты линий электропередачи входит снижение до минимума числа грозовых отключений.
Допустимое число отключений воздушной линии электропередачи в год N допустимых отключений определяется из условий:
а) надежного электроснабжения потребителей,
б) надежной работы выключателей, коммутирующих воздушных линий электропередачи и рассчитывается по формуле:
где, N доп.- число допустимых перерывов в электроснабжении по линии в год N доп ≤ 0,1 при отсутствии резервирования и N доп. ≤ 1 при наличии резервирования), β - коэффициент успешности АПВ, равный 0,8-0,9 для линий 110 кВ и выше на металлических и железобетонных опорах.
Автоматическое повторное включение (АПВ) может удержать линию в работе, так как случаи повреждения изоляции на опорах дугой достаточно редки. В этом случае грозовое поражение не будет сопровождаться перерывом в электроснабжении. При неуспешном АПВ произойдет полное отключение линии электропередачи.
Следует отметить, что частое применение АПВ осложняет эксплуатацию выключателей, требующих в этом случае внеочередной ревизии. Исходя из этого, допускается иметь N допустимых отключений = 1 - 4 в зависимости от типа выключателей. Для особо важных линий это число отключений должно быть уменьшено.
Ожидаемое число грозовых отключений линии в первую очередь определяется интенсивностью грозовой деятельности в районе прохождения трассы линии. Ориентируясь на средние цифры, принято считать, что на 1 км земной поверхности за один грозовой час приходится 0,067 удара молнии. С учетом того, что линия собирает на себя все удары с полосы шириной 6h (h- средняя высота подвеса провода или троса), число N поражений молнией линии длиной l за год равно
N=0,067× n ×6h× l ×10-3 , где n - число грозовых часов в году.
Число перекрытий изоляции воздушных линий электропередачи определяется по формуле
Nпер = N х Pпер, где Pпер - вероятность перекрытия изоляции линии при данном токе молнии.
Не всякое импульсное перекрытие изоляции сопровождается отключением линии, так как для отключения необходим переход импульсной дуги в силовую. Вероятность перехода зависит от многих факторов, и в инженерных расчетах ее принято определять через градиент рабочего напряжения вдоль пути перекрытия Eср = Uраб / Lпер, кВ/м.
Для линий на деревянных опорах с длинными воздушными промежутками вероятность перехода в импульсную дугу h определяется по формуле
Для линий на металлических и железобетонных опорах h = 0,7 при напряжении линии до 220 кВ и h=1,0 для номинальных напряжений 330 кВ и выше.
Умножая Nпер на коэффициент η, можно подсчитать ожидаемое число грозовых отключений линии в год
В инженерной практике обычно используется удельное число отключений линии nоткл, т. е. число отключений линии длиной 100 км, проходящей в районе с числом грозовых часов в году - 30:
Для уменьшения числа грозовых отключений линии можно:
- уменьшить вероятность перекрытия изоляции при ударах молнии, что обычно достигается на воздушных линиях электропередачи с металлическими опорами подвеской тросовых молниеотводов и обеспечением малого импульсного сопротивления заземления опор и тросов,
- удлинять путь перекрытия с малым градиентом рабочего напряжения, что снижает коэффициент h перехода импульсной дуги в силовую. Последнее реализуется на воздушных линиях электропередачи с деревянными опорами.
перенапряжений, а также для обеспечения безопасности обслуживающего персонала опоры линий электропередачи должны быть заземлены.
Величина сопротивления заземляющих устройств нормируется "Правилами устройств электроустановок".
На воздушных линиях электропередачи на напряжение 0,4 кВ с железобетонными опорами в сетях с изолированной нейтралью должны быть заземлены как арматура опор, так и крюки и штыри фазных проводов. Сопротивление заземляющего устройства не должно превышать 50 Ом.
В сетях с заземленной нейтралью крюки и штыри фазных проводов, устанавливаемых на железобетонных опорах, а также арматуру этих опор необходимо присоединять к нулевому заземленному проводу. Заземляющие и нулевые проводники во всех случаях должны иметь диаметр не менее 6 мм.
На воздушных линиях электропередачи на напряжение 6-10 кВ должны быть заземлены все металлические и железобетонные опоры, а также деревянные опоры, на которых установлены устройства грозозащиты, силовые или измерительные трансформаторы, разъединители, предохранители или другие аппараты.
Сопротивления заземляющих устройств опор принимаются для населенной местности не выше приведенных в табл. 18, а в ненаселенной местности в грунтах с удельным сопротивлением грунта до 100 Ом·м - не более 30 Ом, а в грунтах с сопротивлением выше 100 Ом·м - не более 0,3. При использовании на ЛЭП на напряжение 6-10 кВ изоляторов ШФ 10-Г, ШФ 20-В и ШС 10-Г сопротивление заземления опор в ненаселенной местности не нормируется.
При выполнении заземляющих устройств, т.е. при электрическом соединении заземляемых частей с землей, стремятся к тому, чтобы сопротивление заземляющего устройства было минимальным и, конечно, не выше величин, требуемых ПУЭ. Большая доля сопротивления заземления приходится на переход от заземлителя к грунту. Поэтому в целом сопротивление заземляющего устройства зависит от качества и состояния самого грунта, глубины заложения заземлителей, их типа, количества и взаимного расположения.
Заземляющие устройства состоят из заземлителей и заземляющих спусков, соединяющих заземлители с заземляющими элементами. В качестве заземляющих спусков железобетонных опор ЛЭП на напряжение 6-10 кВ следует использовать все элементы напряженной арматуры стоек, которые соединяются с заземлителем. Если опоры установлены на оттяжках, то оттяжки железобетонных опор также должны быть использованы в качестве заземляющих проводников дополнительно к арматуре. Специально прокладываемые по опоре заземляющие спуски должны иметь сечение не менее 35 мм или диаметр не менее 10 мм.
На воздушных линиях электропередачи с деревянными опорами рекомендуется применять болтовое соединение заземляющих спусков; на металлических и железобетонных опорах соединение заземляющих спусков может быть выполнено как сварным, так и болтовым.
Заземлители представляют собой металлические проводники, проложенные в грунте. Заземлители могут быть выполнены в виде вертикально забитых стержней, труб или уголков, соединенных между собой горизонтальными проводниками из круглой или полосовой стали в очаг заземления. Длина вертикальных заземлителей обычно составляет 2,5-3 м. Горизонтальные заземляющие проводники и верх вертикальных заземлителей должны находиться на глубине не менее 0,5 м, а на пахотных землях - на глубине 1 м. Заземлители соединяют между собой сваркой.
При установке опор на сваях, в качестве заземлителя можно использовать металлическую сваю, к которой сваркой подсоединяют заземляющий выпуск железобетонных опор.
Для уменьшения площади земли, занятой заземлителем, используют глубинные заземлители в виде стержней из круглой стали, погружаемых вертикально в грунт на 10-20 м и более. Наоборот, в плотных или каменистых грунтах, где невозможно заглубить вертикальные заземлители, используют поверхностные горизонтальные заземлители, которые представляют собой несколько лучей из полосовой или круглой стали, проложенных в земле на небольшой глубине и подсоединенных к заземляющему спуску.
Все виды заземлений значительно снижают величину атмосферных и внутренних перенапряжений на ЛЭП. Однако все же этих защитных заземлений в некоторых случаях оказывается недостаточно для защиты изоляции ЛЭП и электроаппаратов от перенапряжений. Поэтому на линиях устанавливают дополнительные устройства, к которым, прежде всего, относятся защитные искровые промежутки, трубчатые и вентильные разрядники.
Защитное свойство искрового промежутка основано на создании в линии "слабого" места. Изоляция искрового промежутка, т.е. расстояние по воздуху между его электродами, таково, что электрическая прочность его достаточна, чтобы выдерживать рабочее напряжение ЛЭП и не допустить замыкания рабочего тока на землю, и в то же время она слабее изоляции линии. При ударе молнии в провода ЛЭП грозовой разряд пробивает "слабое" место (искровой промежуток) и проходит в землю, не нарушая изоляции линии. Защитные искровые промежутки 1 (рис. 22, а, б) состоят из двух металлических электродов 2, установленных на определенном расстоянии друг от друга. Один электрод подсоединен к проводу 6 ЛЭП и изолируется от опоры изолятором 5, а другой заземлен (4). Ко второму электроду подсоединен дополнительный защитный промежуток 3. На линиях на напряжение 6-10 кВ со штыревыми изоляторами форма электродов выполняется в виде рогов, что обеспечивает растяжение дуги при разряде. Кроме того, на этой ЛЭП защитные промежутки устраивают непосредственно на заземляющем спуске, проложенном по опоре
Рис.11. Защитный искровой промежуток для ЛЭП на напряжение до 10 кВ:
а - электрическая схема; б - схема установки
Штыревые изоляторы, устанавливаемые на опорах, при нормальных условиях работы обеспечивают надежную изоляцию проводов от элементов опоры. Однако довольно часто напряжение на линии в сотни и даже тысячи раз может превышать номинальное напряжение, на которое рассчитана ее изоляция, т.е. может произойти пробой изоляторов и выход линии из строя. Напряжение, создающее опасность для изоляции ВЛ, называется перенапряжением.
Чтобы ограничить перенапряжение и обеспечить безопасность людей, следует уменьшить сопротивление растеканию тока в земле. Для этой цели устанавливается защитное заземление ВЛ.
Крюки и штыри железобетонных опор в сетях с заземленной нейтралью, а также арматуру этих опор заземляют путем присоединения к заземленному нулевому проводу проводниками диаметром не менее 6 мм. Крюки и штыри на деревянных опорах не заземляют, за исключением случаев, когда линия проходит по населенной местности с одно- и двухэтажной застройкой и не экранирована высокими трубами, деревьями и т. п. Такая линия должна иметь защиту от атмосферных перенапряжений в виде заземляющих устройств с сопротивлением не более 30 Ом, устанавливаемых на расстоянии 100...200 м друг от друга в зависимости от среднегодового числа гроз в данной местности. Обязательно заземляют опоры с ответвлениями к вводам в здания и конечные опоры, имеющие ответвления к вводам (на этих же опорах рекомендуется устанавливать вентильные разрядники).
К монтажу заземления приступают с рытья траншеи глубиной 0,5 м (в пахотной земле — до 1 м), начиная от опоры. Длина траншеи и число заземлителей указаны в проекте на сооружение ВЛ, а все работы по погружению заземлителей, обварку их полосой или прутом, защиту сварных стыков от коррозии выполняют в обычном порядке.
После монтажа контура заземления на опоре выполняют заземляющий спуск. Материалом для него служат стальная полоса или пруток такие же, какие применялись для соединения между собой заземлителей. Внизу спуск соединяют с контуром заземления, вверху — с металлическими частями опоры. На рис. 11.28, а показан контур заземления, состоящий из заземлителей 2, соединяющей их полосы или прута / и спуска 3. Через каждые 300 мм спуск закрепляется на опоре скобами. Верхняя часть спуска выступает над вершиной опоры на 100 мм и служит молниеотводом. Для заземления металлической арматуры опоры к спуску 3 присоединяются болтовыми зажимами или сваркой перемычки 4, передающие нулевой потенциал земли на крюки 6 и нулевой провод 5.
Согласно ПУЭ в электроустановках с глухозаземленной нейтралью нулевые провода прежде всего должны быть заземлены в начале ВЛ у источника питания (электростанции или трансформаторной подстанции). При этом монтировать контур заземления у первой опоры нет надобности, так как нулевой провод ВЛ у источника наглухо присоединен к его нулевой точке, сопротивление заземления которой заведомо меньше, чем требуется для заземления ВЛ. Кроме того, через каждый километр линии у опор устанавливается повторное заземление.
Сопротивление каждого из повторных заземлителей должно быть не более 10 Ом для ВЛ мощностью свыше 100 кВ-А и не более 30 Ом для ВЛ мощностью до 100 кВА.