Расчет сопротивления заземляющего устройства молниеотвода

Краткая теория

Принцип действия генераторов импульсных напряжений (ГИН) заключается в том, что параллельно включенные и заряженные от выпрямительной установки конденсаторы переключаются на последовательное соединение, при кото­ром их напряжения складываются. Переключение произ­водится с помощью искровых промежутков.

Рис.1 Принципиальная схема генератора импульсных напряжений

 

 

Принципиальная схема ГИН показана на рис. 1. Кон­денсаторы заряжаются через защитное и зарядное со­противления (R_ЗАЩ и R_З). Поскольку , конденсаторы практически одновременно заряжаются до одинаковых напряжений . Если теперь на искровой промежуток ИП₁ подать от вспомогательной установки управляющий импульс напряжения , то произойдет пробой этого про­межутка. В результате потенциал точки 3 станет равным , а точки 4 – равным . Потенциал точки 5 остается примерно равным нулю, поскольку конструктивная емкость схемы в точке 5 (иногда называемая «паразитной») не успевает сколько-нибудь существенно зарядиться через сопротивление . Таким образом, на ИП₂ оказывается напряжение около . Под действием этого напряжения промежуток ИП₂, имеющий большее, чем ИП₁ расстояние между шарами, также пробивается. Потенциал точки 5 ста­новится равным , а точки 6 - равным . Пробивается следующий промежуток и т. д. Под действием напряжения (n - число конденсаторов ГИН) пробивается отсека­ющий промежуток ИП₀ и на объекте испытания возникает импульс высокого напряжения.

В каждую ступень ГИН включено небольшое демпфиру­ющее сопротивление . Назначение его: успокаивать ко­лебания в цепи С — ИП—С_П — земля.

Полярность импульса напряжения на объекте определя­ется схемой включения выпрямителя В. Значение напря­жения импульса регулируется путем изменения зарядного напряжения конденсаторов. При этом, естественно, подле­жат регулированию также и расстояния между электрода­ми искровых промежутков. Регулирование осуществляется дистанционно. Для этого один из шаров каждого искрового промежутка выполняется подвижным, например крепится к изоляционному валу электродвигателя, реверсивный пуск которого может производиться с пульта управле­ния ГИН.

Пуск ГИН может осуществляться и без управляющего импульса, подаваемого на ИП₁. Если промежуток ИП₁ установить на пробивное напряжение, равное заданному , то ГИН будет «самостоятельно» срабатывать каждый раз, как только напряжение на конденсаторах достигнет значения .

Напряжение называется суммарным зарядным напряжением ГИН. Наибольшее суммарное зарядное напря­жение, определяемое номинальным напряжением конденса­торов, является одной из паспортных величин ГИН (). Другой паспортной величиной является наибольшее значение запасаемой в ГИН энергии ()­.

Испытания стандартным грозовым импульсом позво­ляют проверить способность изоляции противостоять грозо­вым перенапряжениям. Испытания проводятся при поло­жительной и отрицательной полярностях импульсов (при отрицательной полярности грозового импульса необходимо поменять полярность диода ГИН). Фор­ма полного импульса: длительность фронта 1,2±0,36 мкс, длительность импульса 50±10 мкс. Кратко импульс обо­значается как 1,2/50 мкс (по ГОСТ 1516.2 - 76). Определение параметров грозового импульса пока­зано на рис. 2.

Рис.2 Определение параметров грозового импульса

Испыта­ния проводятся только в сухих условиях, посколь­ку дождь и загрязнения при таких кратковремен­ных воздействиях, как грозовые импульсы, прак­тически не влияют на значения разрядных на­пряжений.

 

 

Решение:

 

1. Определяем напряжение конденсаторных ступеней по , где - коэффициент использования волны.

Предварительно задаемся коэффициентом использования схемы .

коэффициентом использования волны (для стандартной волны).

 

Общий коэффициент использования:

Следовательно,

 

2. Определяем число конденсаторов n и емкость в ударе .

Выбираем конденсаторы типа ИМ-100-05 с рабочим напряжением и емкостью 0,5 мкФ.

Принимаем с некоторым запасом 14 конденсаторов.

 

Емкость в ударе равна:

3. Определяем емкость .

Емкость объекта 3000 пФ; паразитную емкость на землю не учитываем, следовательно

4.Определяем отношение и уточняем коэффициенты использования схемы

По кривым определяем .

Следовательно .

Учитывая, что сопротивление получается большим, возможно искажение испытательной волны пред разрядными точками, поэтому включаем дополнительную емкость из десяти последовательно соединенных конденсаторов типа ИМ-100-0,011

 

Таким образом, при емкости объекта 1800 3000 пФ

При изменении емкости объекта от 0 до 3000 величина изменится 3000 до 4100 пФ, а отношение от 0,084 до 0,1, значение Ƞ1 по кривой находится в пределах от 0,72 - 0,8.

 

5.Определяем постоянные и .

Для стандартной волны:

 

6.Определяем и используя кривую.

 

 

При С₂= 4100 пФ отношение =0,084 и по кривой определяет

а сопротивление Ом

Следовательно,

R₁=0,2∙1539,41=30,7 Ом

При С₂= 4100 пФ отношение =0,1 и по кривой определяет 7

а сопротивление Ом

Следовательно,

R₁=0,17∙1556,61=264,62 О м

Результаты расчётов показывают, что R₂ почти не изменяется, а R₁ изменяется в

сравнительно небольших пределах.

7.Определяем параметры зарядной схемы ГИН.

Задаёмся временем заряда t_зар=30сек.

На основании защитное сопротивление равно:

Учитывается, что R_защ››R_зар, а R_зар››R₂, принимаем R_зар=10 кОм

Средний зарядный ток составит:

8.Определяем мощность трансформатора.

Средний ток через трансформатор

Мощность трансформатора

9. Определяем разрядное сопротивление

10. Определяем зарядное сопротивление

 

где - демпфирующее сопротивление,

- фронтовое сопротивление.

Uр(t)=Uо(е - е).

Для графика №1

t=2мкс Uр=1321кВ

t=4мкс Uр=1284кВ

t=8мкс Uр=1212кВ

t=15мкс Uр=1096кВ

t=24мкс Uр=963кВ

t=36мкс Uр=810кВ

Для графика №2

t=0мкс Uр= -1360кВ

t=0,4мкс Uр= -440кВ

t=0,8мкс Uр= -129кВ

t=5мкс Uр=0кВ

 

Задача 3.

Рассчитать напряжение для испытания заданного объекта(табл. 5) грозовыми, коммутационными импульсами и напряжением промышленной частоты.

трансформатор класс 6кВ

Ввод аппаратуры 1150кВ

 

1.1.2. Требование испытания напряжениями коммутационных импульсов относится только к электрооборудованию классов напряжения 330 и 500 кВ.

Транформатор класс 6кВ-Полный импульс60кВ

Срезанный-70кВ

Ввод аппаратуры 1150кВ Полный импульс1675кВ

Срезанный-1800кВ

 

1. Остающиеся напряжения вентильных разрядников:

Для U_н = 6кВ U_ост = 20 кВ

Для U_н = 1150кВ U_ост = 1500 кВ.

 

2. Расчетное значение грозового перенапряжения:

Для U_н = 6кВ U_расч.п = 1,1* U_ост+15=1,1*20+15= 37кВ

Для U_н = 1150кВ U_расч.п = 1,1* U_ост=1,1*1500= 1650кВ.

3. Расчётное перенапряжение срезанного импульса:

Для U_н = 6кВ U_расч.п = 1,25* U_расч.п=1,25*37= 47кВ

Для U_н = 35кВ U_расч.п = 1,2* U_ост=1,2*1650= 1980кВ.

4. Испытательное напряжение грозовых импульсов:

Для трансформаторов U_исп= 1,1* U_расч.п=1,1*47= 52кВ

Для ввода в аппаратуры U_исп= U_расч.п / 0,84 =1980/0,84= 2457кВ

5. Пробивное напряжение разрядника:

Для U_н = 6кВ U_пр = не менее20 кВ, но не более25кВ.

Для U_н = 1150кВ U_пр = не менее1300 кВ, но не более1440кВ.

6. Испытательное напряжение коммутационным импульсами:

При U_н = 6кВ U_исп. = 1,15* U_пр.=1,15*25= 28,75кВ

U_исп. = 1,15* U_пр.=1,15*20= 23кВ

U_н = 1150кВ U_исп. = 1,15* U_пр.=1,15*1440= 1656кВ

U_исп. = 1,15* U_пр.=1,15*1300= 1495кВ

7. Расчётная кратность внутренних перенапряжений:

Для U_н = 6кВ К_р = 5,5

Для U_н = 1150кВ К_р = 2,5 кВ.

Расчет значения внутренних перенапряжений:

Для U_н = 6кВ U_{расч.вн.} = к_кр* U_{наиб.раб.}=5,5*6,5= 35кВ

Для U_н = 1150кВ U_{расч.вн.} = к_кр* U_{наиб.раб.}=2,5*1195= 2987,5кВ

8. Испытание напряжением промышленной частоты:

Для трансформатора:

U_исп.. = U_{расч.вн .}=35 35,81кВ

Для ввода аппаратуры:

 

U_исп.. = U_{расч.вн .}=2987,5 2434,25кВ

 

Ккум. - коэффициент, учитывающий кумулятивный эффект и старение изоляции;

Кимп. – коэффициент импульса.

 

Задача 4

Рассчитать и построить кривые импульсных напряжений на шинах подстанции (рис.1). Набегающая волна имеет косоугольный фронт длиной и амплитуду . Емкость изоляции и разрядника принять равными нулю.

Числовые значения:

Вариант	Напряжение подстанции, кВ	, кВ	Тип разрядника	, мкс	, м	Z, ом
			РВО

Рис.1 Схема

Z

Z

 

 

Краткая теория.

Функции разрядников:

 

1. «Срезать» падающую волну
2. Погасить дугу, т.е. ограничить сопровождающий ток

 

При защите подстанционной изоляции удаленным от нее вентильным разрядником РВ на последний через время, равное , воздействуют две волны (Рис.2), одна из которых является падающей, а другая – отраженной от защищаемой разрядником изоляции ().

Как только сработает вентильный разрядник от падающей волны, так на нем напряжение будет равным . В этом случае для волны, набегающей на разрядник с линии:

для волны, отраженной от подстанции:

ток через разрядник:

Найдя токи , и подставив их, получим:

 

После преобразования находим:

Рис.2 Определение напряжения на разряднике РВ, при набегании волн с двух линий

 

 

При , окончательно получим уравнение:

(1)

 

 

Данное уравнение необходимо решить графически. Схема замещения исследуемой цепи имеет вид (Рис.3):

 

Рис.3 Схема замещения цепи

 

Решение:

 

Выпишем параметры разрядника РВО (Неклепаев, стр 365)

 

Название		Импульсное пробивное напряжение при временах 1.5-20 мкс	Напряжение, остающееся при импульсном токе длительностью фронта 8мкс и амплитудой, кА
РВО					-

 

 

Рис.4 Пояснение хода решения

 

 

Волна отразится от изоляции, емкость которой равна нулю, и вернется к разряднику через время, равное:

Причем, так как волна отражается от разомкнутого конца (), то напряжение обратной волны удваивается (см. рис.4). Амплитуда обратной волны будет достигать величины 300кВ. Момент времени начала образования обратной волны определится как:

Уравнение обратной волны имеет вид:

таким образом, момент времени, когда определится как:

Пояснения:

Прежде чем наступил пробой вентильного разрядника, напряжение на нем, как следует из схемы замещения цепи (Рис.3) будет равно сумме напряжений набегающей и отраженной волн . После пробоя разрядника в цепь (рис.3) будет введено нелинейное сопротивление РВ, после этого построения проводятся по ВАХ характеристикам, эквивалентной для линии и разрядника и ВАХ разрядника.

 

 

Задача 5

Защита от прямых ударов молнии здания длиной а=16м, шириной b=6m и высотой h=10m осуществляется отдельно стоящими молниеотводами. Удельное сопротивление грунта p=5*10² Om.m.. Коэффициент сезонности для труб , для полос – . Количество молниеотводов равно одному.

Выбрать молниеотвод и рассчитать его параметры при токе молнии, вероятность амплитуды которого .

Спроектировать заземляющее устройство с импульсным сопротивлением растекания тока .

Найти минимально допустимое расстояние от молниеотвода до защищаемого объекта по воздуху и по земле. Определить значение шагового напряжения между точками, удаленными на расстояние х=1и х+а=17 от заземлителя.

Молниеотводом называют устройство, воспринимающее прямой удар молнии с целью защиты сооружения. Он должен быть спроектирован так, чтобы не произошло обратного перекрытия с молниеотвода на объект.

Пространство, защищаемое одиночным молниеотводом, представляет собой конус с сечением в горизонтальных плоскостях в виде круга.

Ток молнии, проходя по молниеотводу, создает падение напряжения на сопротивлении заземлителя и на индуктивности токоотвода.

Рис. 1. Общая схема выполнения молниезащиты объекта

Определим величину наибольшего потенциала в точке А

.

В формуле:

- индуктивность спуска длиной . L_A=L_O•h_x=1,5•10=15мкГн;

- крутизна тока молнии. Принимаем максимальное значение крутизны тока молнии - а=20 кА/мкс;

- ток молнии. Данный параметр определяется по специальным вероятностным кривым в зависимости от величины . Исходя из того, что V=20%, по кривым из [6], стр. 559 находим, что I_m=12кА.

Окончательно максимальный потенциал в точке А определится как:

U_Amax=L_A•a+I_m•Z_i=15•20+12•5=360кВ.

Найдем минимальное расстояние от молниеотвода до объекта по воздуху. Допустимая напряженность для воздушных промежутков составляет , тогда необходимое расстояние до объекта по воздуху:

l_возд=U_Amax / E_ср=360/500=0,72 м.

Найдем минимальное расстояние от молниеотвода до объекта по земле.

Потенциал в точке В (рис. 1) определится как:

. U_Bmax = I_m•Z_i=12•5=60кВ.

Допустимая напряженность для земли составляет E_ср = 100кВ/м, тогда необходимое расстояние до объекта по земле:

.l_з = U_Bmax / E_ср = 60/100 = 0,6 м.

Определяющим будет расстояние по воздуху, таким образом, минимальное расстояние до объекта составит:

. l_о=0,72

Определяем значение величины :

; r_x1= l₀+a/2=0,72+16/2=8,72

Определяем оптимальную высоту молниеотвода:

 

Рис. 1. Пояснение к определению радиуса защищаемой зоны и высоты молниеотвода

 

 

lmin

 

 

	а
b

 

 

В качестве заземлителя принимаем трубы, забитые в землю на глубину и объединенные стальной полосой, длина которой составляет ; диаметр трубы .

Сопротивление полосы растеканию тока промышленной частоты:

.

Сопротивление трубы растеканию импульсного тока (примем число труб равным 27 7):

,

где - импульсный коэффициент использования заземлителя, учитывающий ухудшение условий растекания тока молнии вследствие взаимного экранирования электродов.

 

Определим шаговое напряжение, создаваемое системой заземления.

Потенциал в точке на расстоянии x:

.

Потенциал в точке на расстоянии x+a:

.

Падение напряжения на расстоянии a:

.

Видно, что напряжение имеет большую величину, что приводит к увеличению шагового напряжения в зоне растекания тока. Для снижения шагового напряжения необходимо применять ограничивающие его методы.

 

Рис.1. Зона защиты одиночного стержневого молниеотвода до 60 м

Основанием конуса является круг радиусом r=5h. Высота защищаемого сооружения hx, расстояние (в плане) от оси молниеотвода до наиболее удаленной точки сооружения гх. Горизонтальное сечение зоны защиты на высоте защищаемого сооружения hx представляет круг радиусом гх (радиус защиты).

Для графического построения образующей конуса зоны защиты следует;

а) соединить вершину молниеотвода с точками, расположенными на уровне земли, отстоящими от основания молниеотвода на расстоянии r/2 = 0,75 h в обе стороны от него;

б) точку на молниеотводе, расположенную на высоте 0,8h, соединить с точками на расстоянии г = 1,5/r в обе стороны от него

Радиус зоны защиты определяется:

rx = 1,5 (h - 1,25hx) (1)

rx = 0,75 (h - hx) (2)

По этим формулам определяется радиус зоны защиты на защищаемом уровне hx в том случае, когда задаются высотой h типовых конструкций молниеотводов (например, молниеотводов, принимаемых по нормали Э-898 Гипротяжпромэлектропроекта) или же когда в качестве молниеотвода используются дымовые трубы, высотные металлические колонны технологических наружных установок и т.д.

Формула 1 применяется если сооружение имеет меньшие по сравнению с другими размерами (длиной, шириной) высоту, а формула 2 когда размеры больше т.е. при отношении hx/rx ≥ 2,67

Зона защиты-

Х-Х (на бысоте hx)

Рис.2. Зона защиты одиночного стержневого молниеотвода высотой от 60 до 100 м

Если необходимо определить высоту молниеотводавданной его точке расположения по отношению к защищаемому уровню hx при известной величине гх, то последняя находится по формулам (1) и (2).

Зона защиты одиночного стержневого молниеотвода высотой более 60 м, но не выше 100 м по форме аналогична зоне защиты одиночного стержневого молниеотвода высотой до 60 м (см. п.1), но в ней основанием конуса принят круг радиусом г = 90 м (рис.2).

Высота одиночного стержневого молниеотвода может быть определена по номограмме (рис.3). Для этого должны быть заданы hx - высота й rx - расстояние (в плане) от оси молниеотвода до наиболее удаленной точки защищаемого сооружения.

Высота молниеотвода h в метрах от поверхности земли определится пересечением прямой, соединяющей точки заданных значений hx и гх в метрах на крайних шкалах.

Значение искомой величины h нужно взять по шкале II номограммы рис3. Соединяя прямой заданные значения, получим h= 20,3 м.

Рис 3. Номограмма для определения высоты одиночного стержневого молниеотвода высотой до 60м

Определяем соотношение

hx/rx = 10/16 = 1.25<2,67

Следовательно используем формулу 1

rx = 1,5 (h - 1,25hx)

16= 1.5 (h-1.25*10)

Отсюда h = 23.16мc см. пересечение красной линии со шкалой I

 

Расчет сопротивления заземляющего устройства молниеотвода

Величина сопротивления заземлителя молниеотводов, если вблизи них во время грозы могут находиться люди, не должна превышать 10 Ом. Если же во время грозы вблизи молниезащитного устройства пребывание людей невозможно, то величина сопротивления заземлителя может быть не более 40 Ом.

 

Заземление молниеотводов выполняется с помощью забитых в землю вертикальных стальных стержней, уголков или труб, которые объединяются стальной полосой или прутком.

Сопротивление одного вертикально забитого заземляющего электрода R может быть рассчитано по формуле, Ом:

где р - удельное сопротивление грунта, Ом • м; I= - длина электрода, м; d - внешний диаметр для стержней и труб (или ширина полки уголка), м.

 

Ом

Связьимпульсного сопротивления с сопротивлением заземления переменному току
Rи, Ом	Rз., Ом
	Глина, чернозем	Супесок	Песок
		7,5

 

Выполняем заземление 20 стержнями забитыми в грунт на 3м согласно чертежа и соединив их полосами 50*10мм

Зная требуемую расчетную величину импульсного

сопротивления R И можно определить предельно допустимую

величину сопротивления заземления R З., измеренного на

переменном токе для разных грунтов (табл. 4), и, наоборот, по

величине R З. можно найти величину соответствующего R И.

Поперечное сечение заземляющих электродов должно быть не

меньше 50 мм 2, при этом толщина полос, стенок труб или

профильной стали должна быть не меньше 4 мм. В целях защиты от

коррозии желательно применение оцинкованной стали. Покраска

или покрытие битумом заземляющих электродов не допускается.

,

Общая высота и радиус защиты на высоте объекта были наименьшими, а с другой стороны исключалась веро­ятность вторичных перекрытий с молниеотвода на объект.

Схему установки молниеотвода примем в соответствии с рис.

 

 

 

В соответствии с руководящими указаниями при защите перена­пряжений ток. молнии 150 ка, индуктивность молниеотвода 1 5 мкгн/м и усредненная крутизна фронта косоугольной волны, тока 32 ка/мксек, сопротивление заземления молниеотвода в имп ульсном режиме 5 Ом

 

По формуле определим потен­циал на молниеотводе в момент раз­ряда на уровне высоты объекта

 

U=IмRзи+Lahх=150*5+1,5*32*10=1230кВ

 

Приняв рекомендованную допу­стимую импульсную напряженность по воздуху =Ев=500 кВ/м определим удаление молниеотвода от объекта из выражения

 

SB=U/EB=1230/500=2.46м принимаем5 м

 

Радиус защитной зоны определится выражением