ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 06.12.2023
Просмотров: 211
Скачиваний: 2
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
196
Существует статистика интенсивности грозовой деятельности, характеризующая количество ударов молний на 1 квадратный километр или
1 километр воздушной линии. Она позволяет прогнозировать вероятность попадания молнии в элементы электроэнергетической системы. Однако, как бы ни была мала эта вероятность, абсолютно необходимо принимать меры по предотвращению подобных происшествий. Основной мерой является применение молниеотводов
– стержневых для территориально сосредоточенных объектов и тросовых для протяженных.
Стержневой молниеотвод, как следует из его названия, представляет собой вертикальную мачту в виде металлического, бетонного или деревянного столба. На его вершине расположен молниеприемник, соединенный токоотводом с заземлителем. В качестве молниеприемника обычно используют металлическую трубу, прут или угол сечением не менее
100 мм
2
. Соединенный с ним токоотвод может иметь любую конструкцию, но он должен выдерживать реальные токовые нагрузки при ударе молнии.
Заземлители изготавливаются с учетом влажности почвы, наличия в ней минеральных солей и т. д. На рис. 127 приведены изображения стержневого молниеотвода из Большой советской энциклопедии.
Рис. 127. Стержневой молниеотвод
Заземлитель
Токоотвод
Молниеприемник
197
Стержневые молниеотводы любой конструкции имеют одинаковый принцип работы и, соответственно, общие методы расчетов. Верхняя точка молниеприемника, гальванически соединенного с землей, воспринимает удар молнии, защищая расположенные ниже предметы.
Зона защиты, условно показанная на рис. 128, представляет собой пересечение двух конусов, радиусы которых зависят от высоты молниеотвода h. Первый конус имеет центр в верхней точке и радиус
????
к
1
=
0,75h. Центр второго конуса расположен на высоте 0,8h, его радиус
????
к
2
=
1,5h. Таким образом, зона защиты также имеет коническую форму, но образующая этого конуса представляет собой ломаную линию.
Рис. 128. Зона защиты стержневого молниеотвода h ≤ 60 м
Если высота молниеотвода превышает 60 м, то учитывается ограничение на размер основания конуса на уровне земли до 90 м. Тогда вместо радиусов 0,75h и 1,5h следует взять конкретные величины 45 и 90 м, как это показано на рис. 129.
075h
0,75h
0,75h
0,75h
0,8h h
198
Рис. 129. Зона защиты стержневого молниеотвода h > 60 м
Объекты, расположенные в зоне защиты, не должны своими верхними точками выходить за описанные зоны защиты. Если обозначить
ℎ
????
высоту защищаемого объекта, то радиус защитной зоны
????
????
можно найти по формулам
????
????
= 1,5 (ℎ − 1,25ℎ
????
) при 0 ≤ ℎ
????
≤
2 3
ℎ; (33)
????
????
= 0,75 (ℎ − ℎ
????
) при ℎ
????
>
2 3
ℎ . (34)
Из данных формул нетрудно получить выражения для расчета высоты молниеотвода при известных величинах защищаемого объекта и защитной зоны:
ℎ =
????
????
+1,9ℎ
????
1,5
; (35)
ℎ =
????
????
+0,75ℎ
????
0,75
. (36)
Для высоких молниеотводов с лимитированным основанием конуса, о которых сказано выше, необходимо внести соответствующие поправки.
На защищаемой территории может быть размещено несколько молниеотводов одинаковой или разной высоты. Оба варианта иллюстрирует рис. 130. Сначала рассмотрим наиболее простой из них, образованный двумя конструкциями высотой до 60 м. h
0,8h
90м
45 м
45 м
199
Рис. 130. Защитные зоны двух молниеотводов
Их взаимное влияние учитывается, если расстояние L превышает высоту h не более чем в 5 раз:
???? ℎ
⁄ < 5. (37)
Торцевые локальные зоны каждого молниеотвода рассчитываются по методике одиночного устройства, а промежуточная зона имеет высоту h
о
, и ей соответствует дуга радиусом
R, соединяющая вершины молниеприемников.
Центр дуги расположен на перпендикуляре, проведенном из середины расстояния L. r
x r
x h
o h h b
x r
x2 r
x1
L
L
ф
L h
2 h
1
200
Значение h
о в метрах можно вычислить по эмпирической формуле
ℎ
????
= 4ℎ − √9ℎ
2
+ 0,25????
2
1 ... 7 8 9 10 11 12 13 14 15
. (38)
Радиус R определяется выражением
???? = 4ℎ − ℎ
????
. (39)
С практической точки зрения часто приходится решать обратную задачу – при известных значениях L и
ℎ
o находить требуемую высоту молниеприемников. Для этого используют выражение
ℎ = 0,571ℎ
o
+ √0,183ℎ
o
2
+ 0,0357????
2
. (40)
Ширина зоны защиты b
x объекта высотой h
x определяется выражениями:
????
????
= 3(ℎ
????
− 1,25ℎ
????
), (41) если 0 ≤
ℎ
????
≤
2 3
ℎ , а для ℎ
????
>
2 3
ℎ
????
????
= 1,5(ℎ
????
− ℎ
????
). (42)
Из данных формул несложно вывести выражения для определения высоты защитной зоны при известной ширине и высотах молниеотводов:
ℎ
????
=
????
????
+3,75ℎ
????
3
при 0 ≤
ℎ
????
≤
2 3
ℎ; (43)
ℎ
????
=
????
????
+1,5ℎ
????
1,5
при ℎ
????
>
2 3
ℎ. (44)
Расчет зоны защиты двух молниеотводов разных уровней производится путем замены большего молниеотвода на фиктивный, высота которого равна высоте меньшего. Для этого сначала рассчитывается защитная зона большего молниеотвода и торцевая часть меньшего. Затем от вершины молниеприемника меньшего молниеотвода проводится горизонтальная линия до пересечения с образующей конуса защитной зоны большего молниеотвода. Эта точка, удаленная от меньшего молниеотвода на расстояние L
ф
, считается вершиной фиктивного молниеотвода. Последующие расчеты выполняются для двух молниеотводов одинаковой высоты по приведенной выше методике. Если на объекте расположено несколько молниеотводов, то они рассматриваются попарно.
201
Рассмотрим тросовые молниеотводы, используемые для защиты объектов протяженной формы. Их защитные зоны и необходимые для расчетов условные обозначения показаны на рис. 131.
Рис.131. Защитные зоны тросового молниеотвода
Два молниеотвода высотой h расположены на расстоянии L. Высота защищаемого объекта обозначена h
х
. Трос имеет максимальную высоту r
тр.
Тогда зоны защиты одиночного тросового молниеотвода при разграничениях
0 ≤h
≤
2 3
ℎ
тр
и
ℎ
????
>
2 3
ℎ
тр
составят
????
????
= 1,25(ℎ
тр
− 1,25ℎ
????
) и ????
????
= 0,625(ℎ
тр
− ℎ
????
). (45)
Важное место в молниезащите занимают заземлители, обеспечивающие растекание энергии молнии по грунту. В идеале их сопротивление должно быть равно нулю. На практике оно отличается от нуля, но составляет от долей до единиц ом. Конструктивно заземлители представляют собой стальные конструкции, зарытые в землю. В качестве таковых могут использоваться трубы, арматура, стальные листы и т. п.
Разновидностью тросового молниеотвода является молниеприемная сетка, изображенная на рис. 132.
Рис. 132. Молниеприемная сетка
Она представляет собой сетку из стальной проволоки диаметром 6–8 мм с размером ячейки от 5 х 5 м, соединенную с заземлителем. Специальных h h
тр r
x
202 нормативов для нее не существует, как и для способов укладки на кровле.
Тем не менее считается целесообразным располагать сетку на некотором возвышении от кровли.
Заземлители, несмотря на кажущуюся простоту своей функции, также должны изготавливаться на основе расчетов. Их основной характеристикой является импульсное сопротивление
????
и
= α
и
· ????, (46) где R – собственное сопротивление на частоте 50 Гц – измеренное или рассчитанное по известным методикам. Коэффициент
α
и
зависит от тока молнии, удельного сопротивления грунта и конструкции заземлителя.
Для контура из n стержней
????
и
= ????
и
·
????
????
и
·????
, (47) где импульсный коэффициент использования заземлителя
η
и
учитывает взаимное влияние стержней и соответствующее ухудшение условий растекания тока.
Значения импульсных коэффициентов
α
и
и η
и
являются справочными величинами. В качестве примера в табл. 7 приведены эти значения для наиболее распространенных конструкций молниеотводов.
Таблица 7
Значения импульсных коэффициентов
α
и
и η
и
Конструкция молниеотвода
α
и
при удельном сопротивлении грунта, Ом·м
η
и
100 200 500 1000
Контур из 2–4 штырей
0,5 0,45 0,3
-
0,75
Контур из 8 штырей
0,7 0,55 0,4 0,3 0,75
203
Контур из 15 штырей
0,8 0,7 0,55 0,4 0,75 2 полосы по 5 м
0,65 0,55 0,45 0,4 1
3 полосы по 5 м
0,7 0,6 0,5 0,45 0,75
При защите подстанции отдельными молниеотводами необходимо соблюдать допустимые расстояния до элементов распределительных устройств как по воздуху, так и по земле. Минимальное расстояние по воздуху до точки, расположенной на высоте H, определяется выражением
????
в
мин
= 0,12 ????
и
+ 0,1????. (48)
Оно во всех случаях должно быть не менее 5 м.
Минимальное расстояние по земле равно 0,2
????
и
и должно быть более 3 м.
В заключение темы защиты от молний рассмотрим грозозащиту воздушных линий. Ее эффективность оценивается количеством грозовых отключений на полную длину линии за год или на 100 км и 100 грозовых часов.
Основным средством защиты воздушной линии от прямых ударов молний являются тросовые молниеотводы. Их может быть один или два, как это показано на рис. 133.
Рис. 133. Воздушная линия с двумя молниеотводами
Тросы крепятся к верхним точкам опоры ЛЭП и соединяются с токоотводом непосредственно или через разрядник. Каждый фазный провод
204 расположен не непосредственно под грозозащитным тросом, а несколько в стороне, образуя с вертикалью угол α ≤ 30
о
. Такая защита от молний применяется в электросетях напряжением от 110 кВ. При напряжении 35 кВ из-за малой электрической прочности гирлянд изоляторов велика вероятность их пробоя, что существенно снижает эффективность молниезащиты. Для ЛЭП с напряжением 6 и 10 кВ применение тросовых молниеотводов считается бесполезным.
Грозовое перекрытие изоляции в тросовых молниеотводах зависит от сопротивления заземления – чем оно меньше, тем выше вероятность пробоя.
Поэтому величина сопротивления заземления не должна быть меньше 10–30
Ом при удельном сопротивлении почвы соответственно 100–1000 Ом·м.
Так как при попадании молнии в линию срабатывает защита, эффективным средством поддержания надежности электроснабжения является применение автоматического повторного включения (АПВ). Однако при частых пробоях АПВ может значительно повысить износ коммутационной аппаратуры, прежде всего высоковольтных выключателей.
4.2. Трансформаторы
При передаче электроэнергии по проводам на их нагрев затрачивается часть мощности, пропорциональная квадрату тока и сопротивлению.
Поскольку снизить сопротивление проводов нереально, приходится уменьшать ток за счет повышения напряжения. С этой целью используются трансформаторы. Внешний вид типичного трехфазного силового трансформатора приведен на рис. 134.
Рис. 134. Силовой трансформатор
205
Выходные напряжения генераторов электростанций определены еще стандартами СССР и находятся в пределах от 6,3 до 24 кВ. На выходе повышающего трансформатора напряжение уже составляет от 220 до 750 кВ, хотя иногда имеют место отклонения в обе стороны. В частности, существует
ЛЭП с рабочим напряжением 1150 кВ.
Современные силовые трансформаторы часто имеют мощность от 20 кВт до 500 МВт и применяются для передачи электроэнергии на расстояния до нескольких тысяч километров. Хотя в большинстве своем это современные и высокотехнологичные изделия, в основе их работы лежат физические принципы, разработанные на заре электротехники.
Простейший трансформатор схематично показан на рис. 135.
Рис. 135. Устройство трансформатора
Он состоит из магнитопровода и пары обмоток – первичной W
1
и вторичной W
2
. Обычно сердечник изготавливают из пластин специальной трансформаторной стали толщиной менее миллиметра. Пластинчатая конструкция нужна потому, что в сплошном металле переменный магнитный поток порождает паразитные токи, которые его нагревают. В высокочастотных трансформаторах потери в стали слишком велики, и сердечники изготавливают из высокоомных ферромагнетиков, чаще всего из феррита.
Обмотки W
1
и W
2
изготавливают из медного или алюминиевого изолированного провода. Одна из них подключается к источнику переменного тока и называется первичной. Другая, соответственно, называется вторичной. С нее снимается преобразованное напряжение.
Отношение количества витков в этих обмотках называется коэффициентом трансформации.
206
???? = ????
1
????
2
⁄
. (49)
Важно иметь в виду, что размеры трансформатора определяют его габаритную мощность. Это объясняется явлением магнитного насыщения сердечника, которое означает завершение поляризации структурных элементов ферромагнетика. В большом сердечнике таких элементов больше и запас магнитной энергии тоже больше.
В обычном трансформаторе имеется не менее двух отдельных обмоток, которые связаны общим магнитным потоком. В автотрансформаторе, изображенном на рис. 136, обмотка всего одна, но она имеет дополнительные отводы.
Рис. 136. Автотрансформатор
Поскольку магнитный поток общий, то процесс трансформации энергии в обеих конструкциях аналогичен. Точно так же для каждой из них можно определить коэффициент трансформации, габаритную мощность и другие характеристики. Принципиальное отличие заключается в наличии гальванической связи между входной и выходной цепями. Часто наличие такой связи вполне допустимо. Например, широко распространены регуляторы напряжения на основе автотрансформаторов. Их раньше применяли для питания телевизоров и другой дорогостоящей бытовой аппаратуры. В электротехнических лабораториях популярны лабораторные автотрансформаторы – так называемые ЛАТРы, позволяющие плавно регулировать напряжение в достаточно широких пределах.
Автотрансформаторы находят применение в системах электроснабжения железной дороги и других электросетях. Основные преимущества автотрансформаторов заключаются в их большей энергоэффективности, меньшей стоимости и габаритах, экономии обмоточных проводов.