Расчет заземлений и молниезащиты

Под зоной защиты молниеотвода понимают часть пространства, внутри которого здание или сооружение защищено от прямых ударов молнии с опре­деленной степенью надежности. Различают зоны защиты типа А, где степень надежности составляет 99,5 % и выше, и зону защиты типа Б со степенью на­дежности 95 % и выше.

На практике для защиты зданий и сооружений от прямых ударов молнии наибольшее распространение получили стержневые и тросовые молниеотводы. Каждый молниеотвод состоит из следующих элементов: молниеприемника, не­посредственно воспринимающего прямой удар молнии; несущей конструкции, предназначенной для установки молниеприемника; токоотвода, обеспечиваю­щего отвод тока молнии в землю и обеспечивающего контакт с землей молни­еприемника и токоотвода.

Для устройства токоотвода применяют круглую сталь и стальной канат диаметром 5 – 6 мм или полосовую сталь прямоугольную или угловую с пло­щадью поперечного сечения 24 и 48 мм². На металлических или железобетон­ных молниеотводах токоотводом может служить металлическая ферма или стальная арматура конструкции.

Несущие конструкции молниеотводов изготавливают из древесины, желе­зобетона и металла. Деревянные конструкции отдельно стоящих молние­отводов используют в основном для защиты сельскохозяйственных объектов. Высота молниеотводов такого типа составляет 8 – 20 м.

Несущие конструкции из железобетона применяют при тех же геометриче­ских размерах защищаемых объектов, что и деревянные.

Металлические молниеотводы находят широкое применение при защите высоких, протяженных объектов, где требуемая высота молниеотвода состав­ляет 20 – 30 м.

Заземляющее устройство молниезащиты выполняют аналогично зазем­ляющим устройствам электроустановок. В ряде случаев эти устройства можно объединить. Необходимо различать заземлители, входящие в комплекс защиты от прямого удара молнии и заноса высоких потенциалов, от заземлите­лей, вхо­дящих в комплекс защиты от вторичных воздействий молнии.

Тип, количество и взаимное расположение молниеотводов определяют геометрическую форму зоны защиты.

Для защиты подстанции от прямых ударов молнии принимаем схему с четырьмя молниеотводами по углам защищаемой зоны, размеры которой составляют 100х110м. Высота защищаемого объекта h₁ = 8 м. Тип зоны защиты – зона Б (наружные технологические установки и открытые склады, относимые по ПУЭ к классу П - III).

Высота молниеотвода h, м, вычисляется по формуле

h = h_x + D/8, (108)

где h_х – высота защищаемой зоны, м.

Рисунок 12 – Схема молниезащиты

h = 8 + 148,7/8 = 26,6 м

Ширина зоны защиты b_x, м, вычисляется по формуле

b_x = 2∙r_x∙(7∙h_a – a)/(14∙h∙a – a), (109)

где r_х – радиус защищаемой зоны, м,

h_а – высота активной зоны молниеотвода, м,

а – сторона защищаемой зоны, м.

h_a = h – h_x

h_a = 26,6 – 8 = 18,6 м

r_x = 1,6∙ h_a/(1+h_x/h)

r_x = 1,6∙18,6/(1+8/26,6) = 22,9 м

b_x1 = 2∙22,9∙(7∙18,6 – 100)/(14∙26,6∙100 – 100) = 0,04

b_x1 = 2∙22,9∙(7∙18,6 – 110)/(14∙26,6∙110 – 110) = 0,02

Расчетная зона будет полностью защищена, так как она находится в зоне защиты молниеотвода.

Рисунок 13 – Молниезащита подстанции

Согласно ПУЭ заземляющие устройства установок выше 1 кВ сети с эффективно заземленной нейтралью выполняются с учетом сопротивления R_з=0,5 Ом или допустимого напряжения прикосновения.

U_пр U_пр.доп (110)

Расчетная длительность воздействия

, (111)

где - время действия релейной защиты, с;

- время отключения выключателя.

=0,06 с

В зависимости от U_пр.доп=500 В.

Напряжение на заземлителе

U_з= , (112)

где К_п- коэффициент напряжения прикосновения.

К_п= , (113)

где М- параметр, зависящий от ;

- коэффициент, определяемый по сопротивлению тела человека R_ч и сопротивлению растекания тока от ступней R_с;

l_в- длина вертикального заземлителя, м;

L_г- длина горизонтальных заземлителей, м;

а- расстояние между вертикальными заземлителями, м;

S- площадь заземляющего устройства, м².

М=0,806 при =500 Ом∙м и =60 Ом∙м

= (114)

В расчетах принимается R_ч=1000 Ом.

R_с=1,5∙ (115)

R_с =1,5∙500=750 Ом

= =0,57

l_в= 5м

L_г= 420м по плану

а= 5 м

S= 100 110м²

К_п= =0,248

U_з= =2016 В

U_з в пределах допустимого (<10кВ).

Заземляющее устройство подстанции выполняется из вертикальных заземлителей, соединительных полос, проложенных в поперечном направлении и создающих заземляющую сетку с переменным шагом рисунок 14а. Сложный заземлитель заменяется расчетной квадратной моделью рисунок 14б. В расчетах многослойный грунт представляется двухслойным: верхний слой толщиной h₁=2,8 м с удельным сопротивлением , нижний с удельным сопротивлением .

а) заземляющее устройство подстанции; б) расчетная модель.

Рисунок 14 – План заземляющего устройства

Сопротивление заземляющего устройства R_з.доп, Ом, вычисляется по формуле

R_з.доп , (116)

где I_з- ток однофазного короткого замыкания в месте повреждения, А