5.2. Расчет заземлителя портального молниеотвода

Для расчета портального молниеотвода выбираем молниеотвод № 6 высотой 23.2 м, так как для него площадь сетки в радиусе 20м наименьшая.

L = м − суммарная длина горизонтальных электродов;

= − сторона сетки;

Число ячеек равно:

m = = = 2.8893

Сопротивление заземлителя из сетки, уложенной на глубину h = 0.7 м в неоднородном грунте с эквивалентным сопротивлением ρ_э, определяется по формуле:

R_иск =;

A= 0.66 − коэффициент, зависящий от отношения, и m находим по рис.10 [1]:

= = 0.000442;

где d=0.0125 − диаметр электродов заземлителя.

Коэффициент, учитывающий глубину заложения сетки для =0.025, находим по табл.7 [1]: Δ_h=0.8.

Определим эквивалентное сопротивление грунта:

при расчете неоднородный грунт представляется двухслойной моделью.

Толщина первого слоя принимается равной глубине заложения сетки h_1э= 0,7 м.

Толщина второго слоя:

h_2э = H_расч– h_1э;

где H_расч = (0.1- 0.2)·l_л − расчетная глубина;

H_расч = (0.1- 0.2)·l_л =(0.1- 0.2)·60 = 6 −12 м;

Принимаем H_расч = 7 м.

h_2э = 7– 0.7 = 6.3 м;

В общем случае эквивалентное сопротивление первого слоя ρ_1э определяется путем усреднения проводимости слоев грунта, входящих в первый слой, также необходимо учесть сезонные изменения, в результате которых удельное сопротивление первого слоя грунта для летнего периода времени увеличится на 1.4.

Толщина слоя сезонных изменений h=2 м.

Т.к в пределах h_1э находится только один слой, то ρ_1э=1.4ρ₁.

ρ_1э = =63 Ом·м;

Эквивалентное удельное сопротивление второго слояρ_2э будет равно:

ρ_2э === 106.6 Ом·м.

Двухслойная структура приводится к однослойной с эквивалентным сопротивлением ρ_э, в которой заземлитель будет иметь такое же значение сопротивления, как в двухслойной модели грунта.

Отношение удельных сопротивлений первого и второго слоя:

= = 0.6;

= = 0.025

При = 0.6и = 0.025 находим по (рис.8 [1]):

= 0.93;

Т.к. m=3, то вводим поправочный коэффициент К по (табл.5 [1]):

К = 0.94;

ρ_э = К·0.95·ρ_2э = 0.94·0.95·106.6 = 95.2 Ом·м.

Итак, искусственное сопротивление портального молниеотвода:

R_иск = = = 1.902 Ом.

При присоединении молниеотвода к заземляющему контуру подстанции в отводе тока молнии используется лишь часть заземляющего контура и при этом должно рассчитываться его импульсное сопротивление:

R_и = α_и·R;

гдеα_и − импульсный коэффициент заземлителя;

R − стационарное сопротивление для заземляющего контура (без естественных заземлителей) для летнего периода;

R = R_иск = 1.902 Ом.

По (рис. 13 [1]) для кривой 1 находим α_и = 1.

R_и = α_и·R_иск =1·1.902= 1.902 Ом.

6. Оценка надежности ору подстанции от прямых ударов молнии

Надежность защиты ОРУ подстанции от прямых ударов молнии характеризуется числом случаев перекрытия изоляции за год при прорывах молнии через зону защиты молниеотводов и обратных перекрытий при ударах молнии в молниеотводы.

Число перекрытий изоляции подстанции в год вследствие прорывов молнии в зону защиты молниеотводов определяется как:

β₁ = ;

где N_с − число грозовых разрядов в ОРУ подстанции в год;

Р_пр − вероятность прорыва молнии в зону защиты молниеотвода;

Р_пер − вероятность перекрытия при ударе молнии в ошиновку;

P_д = 0.9 − вероятность перехода импульсного перекрытия изоляции в силовую дугу.

При надежности защиты ОРУ от прямых ударов молнии 0.99:

Р_пр = (1-0.99) = 0.01

Число грозовых разрядов в ОРУ подстанции в год определяется по формуле:

N_с =;

где Р_о = 0.05·n_o;

n_o = 30 − число грозовых часов в году;

Р_о = 0.05·30 = 1.5;

S_n− площадь ОРУ, м², ограниченная крайними молниеотводами, увеличенная с каждой стороны попарно взятых молниеотводов на R_экв.

Эквивалентная ширина, с которой ОРУ собирает боковые разряды молний при высоте молниеотводов 30 м:

R_экв =;

Для h_м = 23.2 м:

R_экв1 = = 80 м;

Для h_м = 18 м:

R_экв2 = = 68 м;

Число грозовых разрядов в ОРУ 110 кВ подстанции в год:

N_с = = = 0.11;

Для расчета вероятности перекрытия гирлянды изоляторов при ударе молнии в ошиновка используется по критический ток:

Р_пер = ;

Значение критического тока, при котором возможно перекрытие изоляции определяется как:

I_кр = ;

где Z_к = 390 Ом − волновое сопротивление ошиновке ОРУ 220 кВ с учетом короны.

Также для расчета вероятности перекрытия гирлянды изоляторов при ударе молнии в ошиновку используется 50 %-е разрядное напряжение для импульсов отрицательной полярности:

U_50% = ;

где l_г − строительная длина гирлянды изоляторов;

= ;

l_г = n·H_из;

где n − количество изоляторов;

H_из − строительная длина одного изолятора.

Для ОРУ 110 кВ использованы изоляторы типа ПС70-Е в количестве 16 штук. Значит, n = 16, а H_из = 127 мм.

l_г = n·H_из = 16·0.127 = 2.032 м;

= = 120+550·2.032 = 1237.6 кВ;

U_50% =

== 1129 кВ.

Значение критического тока, при котором возможно перекрытие изоляции:

I_кр = = = 5.79 кА;

Тогда вероятность перекрытия при ударе молнии в ошиновку ОРУ 220 кВ равна:

Р_пер = = = 0.793.

Итак, число перекрытий изоляции подстанции в год вследствие прорывов молнии в зону защиты молниеотводов для ОРУ 220 кВ:

β₁ = = = 7.85·10^-4.

Число обратных перекрытий изоляции подстанции в год при ударах молнии в молниеотводы равно:

β₂ = ;

где N_с − число грозовых разрядов в ОРУ подстанции в год;

Р_пр − вероятность прорыва молнии в зону защиты молниеотвода;

Р_обр − вероятность обратного перекрытия при ударе молнии в молниеотвод;

P_д = 0.9 − вероятность перехода импульсного перекрытия изоляции в силовую дугу.

При надежности защиты ОРУ от прямых ударов молнии 0.99:

Р_пр = ( 1-0.99) = 0.01

При ударе молнии в молниеотвод, установленный на портале ОРУ, возможно перекрытие гирлянды изоляторов с портала на провод, если напряжение, приложенное к гирлянде U_из(t) в точке крепления ее к порталу, будет равно или превысит ее импульсное разрядное значение U_г(t).

Потенциал портала в точке крепления гирлянды изоляторов определяется падением напряжения на сопротивлении заземления и индуктивности опоры, а также составляющей, обусловленной индуктивной связью между каналом молнии и телом опоры. Таким образом, напряжение U_из, кВ:

U_из(t) =U_п+U_раб+U_инд;

U_п=a·t·R_и+L_оп·а+М_оп·а;

U_инд=;

U_раб=

где R_и − импульсное сопротивление заземления, Ом;

a − крутизна тока молнии, кА/мкс;

t − время нарастания тока молнии, мкс;

L_оп = L_o·h_п − индуктивность молниеотвода на высоте крепления гирлянды изоляторов h_п, мкГн;

L_o − удельная индуктивность, мкГн/м;

М_оп ≈ 0.2·h_п − коэффициент взаимной индукции между каналом молнии с током

I_м = а·t и телом опоры молниеотвода, мкГн;

Для портальной железобетонной опоры молниеотвода удельная индуктивность L_o принимает значение 0.7 (с. 42 [1]).

h_п =16.7м − высота портала;

М_оп ≈ 0.2·h_п = 3.34 мкГн;

L_оп = L_o·h_п = 0.7·16.7 = 11.69 м,

R_и = 1.902 Ом − импульсное сопротивление заземления опоры.

U_из(t) =a·t·1.902 +11.69·а+3.34·а+277;

Импульсное разрядное напряжение гирлянды изоляторов определяется ее вольт-секундной характеристикой (ВСХ), рассчитываемой по формуле:

где к_кон – коэффициент, учитывающий различия в конструкции изоляторов,

к_е - коэффициент, учитывающий снижение градиента разрядного напряжения с увеличением длины гирлянды.

т.к ,

= кВ;

где − 50%-е разрядное напряжение положительной полярности гирлянды изоляторов.

U_50% = 150+470·l_г = 150+470·2.032 = 1105.04 кВ;

U_50% (для l_г=1м)= 150+470·l_г = 150+470·1 = 620 кВ;

;

;

_{Из условия перекрытия изоляции значение крутизны аiдля момента времени ti, при которой становятся возможным обратное перекрытие гирлянды изоляторов на портале, найдем по формуле:}

;

Для множества значений t_i вычисляются соответствующие вероятности и строится кривая P_a = f(P_i). Значение тока молнии, при котором перекрывается гирлянда изоляторов I_i=a_i·t_i..

Полученные значения представлены в табл. 6.1

Таблица 6.1.