Изоляция и перенапряжения в электрических системах

Федеральное агентство по образованию Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Омский государственный технический университет»

Домашнее задание

«Изоляция и перенапряжения

в электрических системах"

Вариант № 11

Выполнил: студент группы ЗЭ- 517

Проверил: преподаватель Шкаруба М.В.

Омск 2011 г

Исходные данные подстанции

Рис. 1. Понизительная подстанция на 110/6−10 кВ (тип I): а? план подстанции; б? разрез

I. Расчет заземляющего устройства подстанции

Цель расчета: изучить назначение, порядок расчета, некоторые особенности монтажа заземляющего устройства подстанции.

При вычислении периметра заземляющего контура следует учесть, что контур расположен только на открытой части подстанции, поэтому от ширины, А надо отступить с каждой стороны по 2 м, а из длины В надо вычесть еще и ширину ЗРУ (рис.2).

Рис. 2. Расчет периметра заземляющего контура для подстанции типа I

Периметр Р =(А₁+В₁)*2=(28+30)*2=116 м, где А₁=34−2-2=30 м,

В₁=40−8-2−2=28 м.

1. Определение допустимого сопротивления заземляющего устройства

На стороне ВН (110 кВ) сопротивление следует взять по ПУЭ R_З=0,5 Ом.

На стороне НН (6 кВ) сопротивление вычисляется по формуле, но не более 10 Ом.

R_{расч.нн}=13,89 Ом, по ПУЭ принимаем R_З=10 Ом.

Заземляющее устройство является общим для электроустановок на различное напряжение, поэтому расчетным сопротивлением заземляющего устройства является наименьшее из требуемых.

Окончательное значение сопротивления (меньшее из двух): R_З=0,5 Ом.

2. Определение необходимого сопротивления искусственного заземлителя (R_И)

На подстанции следует в качестве естественного заземлителя использовать систему трос — опора, это позволит увеличить сопротивление искусственного заземлителя.

Параметры системы трос — опора приведены в исходных данных.

Cопротивление растеканию системы трос-опоры (при числе опор с тросом более 20)

где — расчетное, т. е. наибольшее (с учетом сезонных колебаний), сопротивление заземления одной опоры, Ом; rактивное сопротивление троса на длине одного пролета, Ом; n — число тросов в опоре. Активное сопротивление стального троса r = 0,15? /S, где? -длина пролета, м; S — сечение троса, мм².

Принимаем число тросов на опоре n_ТР=1, число цепей ЛЭП n_Ц=2.

Сопротивление системы трос-опора R_С=1,2 Ом.

Необходимое сопротивление искусственного заземлителя с учетом использования естественных заземлителей:

где — расчетное сопротивление заземляющего устройства; - сопротивление естественного заземлителя.

Сопротивление искусственного заземлителя должно быть R_И=0,76 Ом.

3. Выбор формы и размеров электродов

Для вертикальных электродов берем пруток 18 мм (черная сталь), длина

? =5 м. Для горизонтальных электродов берем полосу 5*40 мм (черная сталь).

4. Составление предварительной схемы заземлителя

В качестве первого приближения для подстанций с высшим напряжением 110 кВ рекомендуется принять, ? = 5 м.

По отношению a/? (табл.1) определяется коэффициент использования вертикальных электродов .

Таблица 1

Коэффициенты использования вертикальных электродов

Среднее расстояние между двумя электродами а=2,4

Отношение а/? = 0,48. Для такого отношения а/? табличные данные отсутствуют, поэтому расчетное значение К_ИВ определяется с помощью программы, разработанной на кафедре ЭсПП (рис. 3).

Рис. 3. Определение К_ИВ с помощью программы, разработанной на кафедре ЭсПП Расчетное значение К_ИВ=0,314.

5. Определение расчетного удельного сопротивления грунта

Расчетное удельное сопротивление грунта отдельно для горизонтальных и вертикальных электродов с учетом повышающих коэффициентов, учитывающих высыхание грунта летом и промерзание его зимой:

где — измеренное или взятое из таблиц среднее значение удельного сопротивления грунта.

Повышающие коэффициенты для различных климатических зон приведены в табл. 2 и 3.

Таблица 2

Коэффициенты сезонности вертикальных электродов

Удельное сопротивления грунта с = 50 Ом*м. с _расч.в = 55,2 Ом*м.

Таблица 3

Коэффициенты сезонности горизонтальных электродов

Р_расч.г = 92 Ом*м.

6. Определение сопротивления растеканию одного вертикального электрода

Сопротивление растеканию одного вертикального электрода равно

(1)

где? — длина вертикального электрода, м; d — диаметр электрода, м; t — расстояние от поверхности грунта до середины электрода, м.

По формуле (1) определяют сопротивление вертикального электрода из трубы или прутка.

Рис. 4. Параметры вертикального электрода

Расчетное сопротивление вертикального электрода: R_В=11,83 Ом.

7. Определение примерного числа вертикальных электродов

Примерное число вертикальных электродов при предварительно принятом коэффициенте использования вертикальных электродов определяется по формуле:

где — необходимое сопротивление искусственного заземлителя.

n_В= R_В/(К_ИВ* R_И) = 49,52

8. Определение сопротивления растеканию горизонтального электрода

Сопротивление растеканию тока горизонтального электрода определяется по формуле

(2)

где? — длина горизонтального электрода, м; t — глубина его заложения, м;

d — диаметр электрода, м.

Для полосы шириной b в формулу (2) подставляют вместо d эквивалентный диаметр (b=0.04 м, d=0.02 м) Рис. 5. Параметры горизонтального электрода

Глубина залегания горизонтального электрода (равна глубине траншеи, 0,7 м).

Расчетное сопротивление горизонтального электрода R_Г=1,69Ом.

9. Уточнение коэффициентов использования

Коэффициент К_ИВ необходимо уточнить для нового значения числа вертикальных электродов n = 50. Среднее расстояние между электродами а=2,4

Отношение а/L = 0,48. Расчетное значение К_ИВ=0,314.

Затем надо определить коэффициент использования горизонтального электрода, который также зависит от числа вертикальных электродов (табл.4).

Таблица 4

Коэффициенты использования горизонтального электрода

Расчетное значение К_ИГ также лежит за пределами таблицы, поэтому определяется с помощью программы, разработанной на кафедре ЭсПП.

Расчетное значение К_ИГ=0,174.

10. Уточнение числа вертикальных электродов

Определяется уточненное число вертикальных электродов с учетом проводимости горизонтального электрода

Если уточненное число вертикальных электродов более чем на 10% отличается от примерного числа, то рекомендуется вновь уточнить коэффициенты использования и и повторить расчет .

Предыдущее число вертикальных электродов было n_В=46

Уточненное числа вертикальных электродов n_ВУ=51,6

n_ВУ отличается от n_В на 2,65% (допускается менее 10%)

Округляем в сторону увеличения: n_В=46.

11. Окончательное значение сопротивления искусственного заземлителя

Требуемое значение сопротивления R_И=0,76 Ом.

Расчетное значение сопротивления R_ИР=0,755 Ом.

Запас 0,005 Ом.

Для выравнивания потенциала на поверхности земли с целью снижения напряжения прикосновения и шагового напряжения применяются выравнивающие сетки. На открытых подстанциях рекомендуется укладывать сетки на глубине 0,5 — 0,7 м с размером ячеек 6 -12 м. Сопротивление сетки в расчетах не учитывается, обеспечивая дополнительное (резервное) уменьшение сопротивления. Размещение продольных и поперечных полос по территории открытой подстанции приведено в пособии Ю. И. Солуянова.

Рис. 6. Контурный заземлитель открытой подстанции: 1? забор;

2? оборудование; 3? заземляющее устройство

Вывод: Заземляющее устройство подстанции имеет 46 вертикальных электрода, соединенных горизонтальной шиной. Сопротивление заземляющего устройства (без учета естественного заземлителя) R=0,755 Ом.

II. Защита подстанции от прямых ударов молнии

Цель раcчета: научиться правильно выполнять защиту подстанций 110/6−10 кВ от прямых ударов молнии.

Открытые распределительные устройства (ОРУ) подстанции 35 — 750 кВ должны быть защищены от прямых ударов молнии стержневыми молниеотводами

В домашнем задании расчет выполняется по двум методикам.

Первая методика была предложена в ВЭИ на основе обширных лабораторных исследований на моделях, проведенных в 1936?1940 гг. А. А. Акопяном. По этой методике зона защиты одиночного молниеотвода представляет собой «шатер» (рис. 7), по ней можно рассчитывать зоны защиты молниеотводов высотой до 60 м. Объекты, находящиеся на границе этой зоны (h_x), защищены с вероятностью Р? 0,999.

Рис. 7. Зона защиты одиночного молниеотвода по методике А. А. Акопяна Радиус зоны защиты одиночного стержневого молниеотвода (рис. 7) на высоте для молниеотводов высотой до 60 м определяется по формуле

(3)

где h — высота молниеотвода, м; - активная высота молниеотвода, м; p — коэффициент для разных высот молниеотводов (p = 1 для и для 60 > h >30 м).

Зона защиты двух молниеотводов высотой не более 60 м показана на рис. 8. Граница внешней зоны определяется так же, как и для одиночного молниеотвода, по формуле (3).

Граница зоны защиты между молниеотводами (в вертикальном сечении) определяется окружностью радиусом R, проходящей через вершины молниеотводов и точку А, расположенную посредине между молниеотводами на высоте:

где, а — расстояние между молниеотводами, м.

Рис. 8. Зоны защиты двух молниеотводов высотой до 60 м Наименьшая ширина зоны защиты в середине между молниеотводами (на горизонтальном сечении) на высоте определяется по кривым или по приближенной формуле

(4)

где вычисляется по формуле (3).

Зона защиты трех и более молниеотводов значительно превышает сумму защиты одиночных молниеотводов. На рис. 9 показана зона защиты трех молниеотводов в горизонтальном сечении на уровне. Радиус внешней зоны защиты для каждого молниеотвода определяется так же, как и для одиночного молниеотвода по формуле (3). Ширина внешней зоны защиты для каждых двух молниеотводов определяется по формуле (4).

Рис. 9. Зона защиты трех молниеотводов в горизонтальном сечении на высоте: 1, 2, 3 — молниеотводы, А условие защищенности всей остальной площади, ограниченной треугольником, выражается соотношением

(5)

где D — диаметр окружности, проведенной через три молниеотвода.

Эта методика вошла в «Руководящие указания по расчету зон защиты стержневых и тросовых молниеотводов». Долгие годы эта методика была основной для расчета зон защиты молниеотводов станций и подстанций.

В 60-e годы была предложена упрощенная методика расчета зоны защиты одиночного молниеотвода, в которой шатер заменен отрезками двух прямых (рис. 10). Все расчетные формулы первой и второй методики совпадают, поэтому и высоты молниеотводов, полученных по ним, одинаковы. Но она удобна для построения зон защиты двух молниеотводов, так как кривые заменены отрезками прямых. В последнем издании Электротехнического справочника рекомендуется использовать эту методику для защиты установок электроэнергетики, при этом надежность защиты ее принимается Р? 0,99.

Рис. 10. Упрощенная методика построения зоны защиты одиночного молниеотвода В третьей методике учтено, что вершина молниеотвода не защищена, поэтому зона защиты одиночного молниеотвода высотой до 150 м представляет собой круговой конус высотой h₀по третьей методике, то приведем основные расчетные формулы для зоны, А (надежность Р?0,995).

Зона защиты одиночного молниеотвода (рис. 11) зона, А имеет следующие размеры:

h_o = 0,85•h; r_o = (1,1? 0,002•h)•h; r_x = (1,1? 0,002•h)•((h?h_x)/0,85).

Рис. 11. Зона защиты одиночного молниеотвода:

1 — граница зоны защиты на уровне h_x; 2 — то же на уровне земли.

Зона защиты двойного молниеотвода (рис. 12) зона, А при L2h имеет следующие размеры:

h_c = h_o? (0,17+ 3•10^-4•h)•(L?h);

r_c = r_o; r_cx = r_o•(h_c -h_x)/h_c.

Рис. 12. Зона защиты двойного молниеотвода:

1 — граница зоны защиты на уровне h_x1;

2? граница зоны защиты на уровне h_x2;

3 — то же на уровне земли.

В 1999 году вышло «Руководство по защите электрических сетей 6−1150кВ от грозовых и внутренних перенапряжений» [10], в котором рекомендуется распространить «Инструкцию по устройству молниезащиты зданий и сооружений. РД 34.21.122−87» на расчет молниезащиты станций и подстанций. Причем станции и подстанции до 750 кВ следует защищать молниеотводами с зоной типа А, а напряжением 750 кВ и выше — зоной типа Б.

Однако, в 2003 году приказом Минэнерго России утверждена новая «Инструкция по устройству молниезащиты зданий, сооружений и промышленных коммуникаций» [12], в которой больше нет зон, А и Б, надежность защиты изменяется от 0,9 до 0,999, а с какой надежностью следует защищать подстанции не дано (лишь сказано, что надежность защиты «должна быть согласована с органами государственного контроля»). В инструкции также сказано, что «при разработке молниезащиты в случаях, когда требования отраслевых нормативных документов являются более жесткими, чем настоящей Инструкции, то рекомендуется выполнять отраслевые требования». Поэтому пока этой инструкцией воспользоваться сложно.

В связи с последними изданиями появилась неопределенность в выборе методики расчета молниезащиты подстанции, поэтому при выполнении домашнего задания рекомендуется расчет выполнять по первой или второй методике (в соответствии с рекомендациями Электротехнического справочника [11]), а в отдельных случаях проверять защищенность объектов по третьей методике (с надежностью Р?0,995, как было в старой инструкции) и окончательно брать наибольшую из расчетных величин.

Порядок расчета

1. Определить возможность установки молниеотводов на конструкциях.

2. Расставить молниеотводы (подстанцию нужно защитить минимальным числом молниеотводов {для типовой подстанции достаточно четырех}).

3. Площадь подстанции разбить на два треугольника (для каждого треугольника вычисляется описанной окружности D, активная высота h_а и высота молниеотводов h).

4. Проверить защищенность объектов, находящихся за пределами треугольников (по двум методикам) (для этого строятся зоны защиты для двух соседних с объектом молниеотводов на высоте защищаемого объекта, а затем (где нужно) изменяется высота молниеотводов так, чтобы зона защиты проходила рядом с объектом { В работе нужно указать R_Х и В_Х}).

5. Заземлить молниеотводы.

В домашнем задании защищается та же подстанция, изображение подстанции на экране монитора приведено на рис. 13.

Для типовой подстанции достаточно четырех молниеотводов, для правильного построения зон защиты молниеотводы следует устанавливать в следующей последовательности (рис.14).

Рис. 13. Изображение подстанции на экране монитора Рис. 14. Порядок установки молниеотводов Наиболее удачная установка молниеотводов указана на рис. 15.

Рис. 15. Установка молниеотводов на подстанции 110/6−10 кВ с ЗРУ После расстановки молниеотводов выбирается и рассчитывается первый треугольник (рис. 16).

Рис. 16. Выбор первого треугольника Через три, указанных молниеотвода будет проведена окружность, вычислен ее диаметр D, определена активная зона молниеотвода h_а. А затем, после ввода высоты самого высокого объекта в этом треугольнике, рассчитывается высота молниеотводов h. Всё оборудование, которое попало в треугольник, надежно защищено. Можно построить зону защиты на высоте порталов (рис. 17).

Рис. 17. Расчет зон защиты в первом треугольнике Затем точно также рассчитывается второй треугольник (рис. 18).

Рис. 18. Выбор второго треугольника Если какое-то оборудование оказалось за пределами треугольника, то необходимо для двух соседних молниеотводов построить сечение зоны защиты на высоте этого оборудования h_x. На плане подстанции для этих молниеотводов будут выведены расчетные значения b_x и r_x.

Если молниеотводы расставлены верно, то для подстанции с ЗРУ за пределами треугольника оказывается часть ЗРУ. Необходимо построить зону защиты на высоте ЗРУ и проверить попало ли оно целиком в зону защиты. Если ЗРУ не защищено, то необходимо изменять высоты двух соседних молниеотводов (при правильной расстановке 3 и 4) с шагом 0,5 м, пока ЗРУ не попадет в зону их защиты (для экономии металла нельзя допускать, чтобы зона защиты была намного больше размеров ЗРУ).

Расчет следует выполнять по двум методикам, ЗРУ должно быть защищено по обеим методикам (рис. 19).

Рис. 19. Расчет зон защиты во втором треугольнике Программа заканчивается сообщением о допущенных ошибках и комментариями к ним. Если при выполнении расчета допущена хотя бы одна ошибка, то расчет необходимо повторить с самого начала.

Если все расчеты выполнены верно, то программа построит зоны защиты подстанции на двух высотах (портала и ЗРУ) (рис. 20). Этот рисунок будет приведен на листе дипломного проекта.

Рис. 20. Результаты расчета зон защиты молниеотводов подстанции 110/(6−10) кВ Молниеотводы присоединяются к заземляющему устройству подстанции (R_З = 0,5 Ом), а также принимаются следующие дополнительные меры:

1.Должно быть обеспечено растекание тока молнии от стойки конструкции с молниеотводом по трем-четырем направлениям с углом не менее 90є между ними (рис. 21).

2. На каждом направлении, на расстоянии 3−5 м от стойки молниеотвода, должно быть установлено по одному вертикальному электроду длиной 5 м.

Рис. 21. Снижение импульсного сопротивления молниеотвода

Вывод: Подстанция 110/(6−10) кВ надежно защищена с помощью 4 молниеотводов, установленных на конструкциях подстанции. Расчет выполнен по 2 методикам.

Библиографический список

подстанция заземляющее устройство электрод молния

1. Правила устройства электроустановок. Седьмое издание (1 и 7 разделы). — С-Пб.: Из-во ДЕАН, 2002. 176 с.

2. Руководящие указания по расчету зон защиты стержневых и тросовых молниеотводов / СЦНТИ. — М., 1974. — 19 с.

3. Руководящие указания по защите электростанций и подстанций

3 — 500 кВ от прямых ударов молнии и грозовых волн, набегающих с линий электропередачи / СЦНТИ. — М., 1975. — 32 с.

4. Инструкция по устройству молниезащиты зданий и сооружений. РД 34.21.12 г. — 87 / Минэнерго СССР. -М.: Энергоатомиздат, 1989. — 56 с.

5. Долин П. А. Основы техники безопасности в электроустановках. — М.: Энергоатомиздат, 1984. — 448 с.

6. Проектирование промышленных электрических сетей / Под ред.

В.И. Круповича. — М.: Энергия, 1979. — 328 с.

7. Двоскин Л. И. Схемы и конструкции распределительных устройств.- М.: Энергоатомиздат, 1985. — 240 с.

8. Техника высоких напряжений / Под ред. Д. В. Разевига. — М.: Энергия, 1976. — 488 с.

9. Изоляция и перенапряжения в электрических системах: Метод. указания к лабораторным работам / Сост. М. В. Шкаруба. — Омск: Изд-во ОмГТУ, 2001. — 28 с.

10. Руководство по защите электрических сетей 6−1150кВ от грозовых и внутренних перенапряжений. СПб, 1999;353с.

11. Электротехнический справочник: В 4 т., Т.3 Производство, передача и распределение электрической энергии (Под общ. ред. профессоров МЭИ В. Г. Герасимова и др.) — 8-е изд. — М: изд-во МЭИ, 2002г-964с.

12. Инструкция по устройству молниезащиты зданий, сооружений и промышленных коммуникаций.- М.: Из-во НЦ ЭНАС, 2004. — 48 c.

13. Ассоциация «РОСЭЛЕКТРОМОНТАЖ» Технический циркуляр № 11/2006,г. Москва, 16 октября 2006 г.

14. Солуянов Ю. И. Повышение эффективности защитных мер электробезопасности электроустановок промышленных предприятий. Казанский гос. ун-т, 2004.294 c.