Молниезащита — это комплекс мероприятий и устройств, предназначенных для защиты зданий, сооружений, людей и оборудования от негативных воздействий молнии.
Молниезащита объектов электроэнергетики представляет собой важнейшую составляющую системы обеспечения надежности и безопасности электроснабжения. Воздействие молний способно привести к серьезным повреждениям оборудования, перебоям в работе сети и значительным экономическим потерям. Поэтому рассмотрим её подробно.
СОДЕРЖАНИЕ:
1. Внешняя система молниезащиты
Внешняя защита подстанций и распределительных устройств обеспечивает защиту от прямых ударов молнии (ПУМ). Всего существует 4 уровня защиты от молний — I, II, III и IV, где I — самый высокий (наименьшая вероятность прорыва), а IV — самый низкий.
| Уровень защиты | Надежность защиты от ПУМ, % |
|---|---|
| I | 98 |
| II | 95 |
| III | 90 |
| IV | 80 |
Уровень защиты выбирается в зависимости от необходимого уровня надёжности. Для объектов электроэнергетики достаточно II-III уровней защиты.
Защита от ПУМ на подстанциях выполняется с помощью прожекторных мачт, ячейковых порталов и отдельно стоящих молниеотводов. На всех подстанциях 35 кВ и выше устанавливаются прожекторные мачты — по этой причине они рассматриваются в качестве основных средств молниезащиты. Остальные способы установки принимаются в случае недостаточности охвата территории прожекторной мачтой и являются дополнительными.
Молниезащитная система состоит из:
- молниеприёмников;
- токоотводов;
- заземлителей.
Принцип работы системы заключается в следующем: молниеприёмник перехватывает молнию, а токоотвод отводит ток молнии к заземлителю. Материал и сечение элементов молниезащиты должны соответствовать требованиям таблицы 2.
| Уровень защиты |
Материал | Сечение, мм2 | ||
|---|---|---|---|---|
| молниеприёмника | токоотвода | заземлителя | ||
| I-IV | Сталь | 50 | 50 | 80 |
| Алюминий | 70 | 25 | Не применяется | |
| Медь | 35 | 16 | 50 | |
1.1. Молниеприёмники
Молниеприёмники могут быть выполнены в виде стержней, тросов или сетчатых проводников (сеток), а также представлять собой произвольную комбинацию перечисленных типов.
Стержневой молниеприёмник — преимущественный вид молниёприемников, используемых на подстанции. Представляет собой вертикально установленный металлический стержень высотой от 1 до 20 метров. Применяется для защиты локальных зон (открытые распределительные устройства) и высоких конструкций (опоры, порталы).
Тросовый молниеприемник представляет собой стальной оцинкованный или медный провод, натянутый между опорами (мачтами) над защищаемым объектом. В основном применяется для защиты линейных и протяжённых конструкций. На ОРУ тросовые молниеприемники используются над ошиновкой в случае, если зона защиты стержневых молниеприемников не закрывает всю территорию ОРУ. Также тросовые молниеприемники используются на подходах к РУ (ПС) на ВЛ 35 кВ и выше.
Сетчатый молниеприёмник — это система, состоящая из металлических проводников, уложенных в виде сетки на кровле здания. Изготавливается из стальной оцинкованной, медной или алюминиевой проволоки, укладывается на крыше с определённым шагом (обычно 5×5 м, 10×10 м или 12×12 м, в зависимости от категории молниезащиты). Применятся, если подстанция имеет большую площадь крыши (например, ЗРУ — закрытое распределительное устройство). Сетчатая система обеспечит более равномерную защиту, чем отдельные стержни.
В качестве молниеприемников могут рассматриваться металлические кровли защищаемых объектов, металлические конструкции крыши (фермы, соединенная между собой стальная арматура), металлические элементы типа водосточных труб, технологические металлические трубы и резервуары. Такие молниеприемники называют естественными, их применение возможно при соблюдении ряда условий:
- непрерывность электрической цепи;
- достаточное сечение (в соответствии с СО 153-34.21.122);
- коррозионная стойкость;
- прямое соединение с заземлителем.
1.2. Токоотводы
Токоотводы (спуски) — это проводящие элементы молниезащиты, которые соединяют молниеприемники с заземляющим устройством, обеспечивая безопасный отвод тока молнии в землю.
Токоотводы выполняются из стальной полосы, круглой проволокой или многожильного гибкого кабеля. Монтаж токоотвода зависит от типа молниеприемника.
У стержневого молниеприёмника токоотвод спускается по опорам (если опора железобетонная или деревянная) либо подключается к нижним элементам конструкции (если опора металлическая) — на каждую опору должен быть предусмотрен минимум один токоотвод. У тросового молниеприёмника — на каждый конец троса крепится минимум один токоотвод. У сетчатого молниеприёмника — токоотводы равномерно распределяются по периметру сетки, и общее количество токоотводов должно быть не менее двух.
Токоотводы прокладываются по прямым и вертикальным линиям, так чтобы путь до земли был по возможности кратчайшим.
В качестве токоотводов могут рассматриваться конструктивные элементы зданий: металлические конструкции, металлический каркас здания или сооружения, соединённая между собой стальная арматура здания или сооружения, части фасада, профилированные элементы и опорные металлические конструкции фасада. Перечисленные элементы могут относятся к естественным токоотводам, однако для использования они должны соответствовать ряду требований, аналогичных требованиям к естественным молниеприёмникам.
Токоотводы располагаются по периметру защищаемого объекта на расстоянии друг от друга не менее указанных в таблице 3.
| Уровень защиты | Среднее расстояние, м |
|---|---|
| I | 10 |
| II | 15 |
| III | 20 |
| IV | 25 |
1.3. Заземлители
Заземлитель молниезащиты представляет собой проводящую часть или совокупность соединенных между собой проводящих частей, находящихся в электрическом контакте с землей непосредственно или через проводящую среду.
Заземлители предназначены для безопасного отвода тока молнии в землю и должны быть включены в систему уравнивания потенциалов. Следует выполнять единое заземляющее устройство для молниезащиты, систем электроснабжения и систем связи.
Более подробно ознакомиться с устройством заземления можно в соответствующей статье⎘ на нашем сайте.
2. Внутренняя система молниезащиты
Внутренняя молниезащита подстанции представляет собой комплекс мер и технических решений, предназначенных для защиты электрооборудования и персонала от вторичных воздействий молнии (импульсных перенапряжений, наведённых токов, электромагнитных помех). Она обеспечивает уравнивание потенциалов и электрическую изоляцию между компонентами внешней системы молниезащиты и другими электропроводящими частями внутри здания или сооружения, предотвращая опасное искрение.
Существуют следующие мероприятия по обеспечению внутренней защиты от молний и электромагнитных импульсов:
- экранирование;
- соединения;
- заземление;
- устройства защиты от перенапряжений (УЗП).
Рассмотрим подробнее каждое мероприятие далее.
2.1. Экранирование
Экранирование направлено на уменьшение электромагнитных помех и снижение риска повреждения компонентов подстанции. Его принцип работы основан на создании защитных полей, способных отражать или поглощать электромагнитное излучение.
Существуют следующие виды экранирования:
- экранирование кабелей — внутри кабеля вокруг проводников имеется экранирующий слой;
- экранирование оборудования — установка металлических корпусов или экранов вокруг чувствительных устройств;
- экранирование помещений — в качестве экрана могут быть использованы металлические конструкции зданий, которые соединяются с системой молниезащиты путём объединения металлических элементов.
2.2. Соединения
Соединения могут быть:
- на границах охранных зон;
- внутри защищаемого объекта.
Соединения металлических элементов необходимы для уменьшения разности потенциалов между ними. Осуществлять соединения следует с помощью специальных проводников или зажимов и, когда это необходимо, с помощью устройств защиты от перенапряжений (см. п. 2.4).
2.3. Заземление
Основная задача заземляющего устройства молниезащиты отводить в землю токи, возникающие в результате молниевых разрядов. Остальная часть тока растекается по подходящим к зданию коммуникациям (оболочкам кабелей, трубам водоснабжения и т. п.). При этом опасные напряжения на самом заземлителе не возникают благодаря сетчатой системе, расположенной в здании и вокруг него.
Подробнее об этом можно прочитать в статье Заземление⎘.
2.4. Устройства защиты от перенапряжений
Устройства защиты от перенапряжений предназначены для ограничения переходных перенапряжений и отвода импульсных токов. Они устанавливаются в месте пересечения линий электроснабжения, управления, связи, телекоммуникации, на границе двух зон экранирования. Данные устройства обеспечивают многоуровневую защиту оборудования подстанции.
К устройствам защиты от перенапряжений относятся разрядники вентильные (РВ), ограничители перенапряжений (ОПН), разрядники трубчатые (РТ) и защитные искровые промежутки (ИП). Также выделяются модульные УЗИП для установки на DIN-рейку.
3. Расчёт и построение зон молниезащиты
Расчёт молниезащиты подстанции может производиться на основании следующих основных нормативных документов:
- РД 34.21.122-87 «Инструкция по устройству молниезащиты зданий и сооружений»;
- СО 153-34.21.122-2003 «Инструкция по устройству молниезащиты зданий, сооружений и промышленных коммуникаций».
При проектировании инструкция РД 34.21.122-87 является наиболее структурированным и удобным документом, регламентирующим устройство молниезащиты зданий и сооружений.
В данной статье мы рассмотрим пример расчёта и построения зоны молниезащиты способом, которым мы используем при проектировании. При расчёте принимаем уровень защиты II (надежность 95%).
Расчёт и построение производим по следующим этапам:
1. Взяв за основу план подстанции, определяем молниеотводы, находящиеся по краям защищаемой зоны, и отмеряем расстояния между ними.
2. Затем производим расчёт одиночных молниеотводов М1-М4 по формулам Таблицы 4 и строим на плане окружности с радиусами их защиты rx, зная высоту защищаемых объектов hx.
Правило построения зоны защиты одиночного молниеотвода приведено на рисунке ниже.
| Определяемый параметр | Уровень защиты II |
|---|---|
| h0 | 0,92h |
| r0 | 1,5h |
| rx | 1,5(h-hx/0,92) |
где 1 — граница зоны защиты на уровне hx,
2 — то же на уровне земли,
h — высота молниеотвода;
L1-2 — расстояние между молниеотводами М1-М2, М2-М3 и т.д.;
hx — высота на уровне защищаемого объекта (принимаем высоту оборудования);
h0 — вершина зоны защиты (h0<h);
rx— радиус сечения на уровне защищаемого объекта.
Для удобства составляем таблицу, по примеру ниже
| Молниеприемник | h | L1-2 | hx | h0 | r0 | rx |
|---|---|---|---|---|---|---|
| М1 | 39 | 74 | 17,50 | 35,88 | 58,50 | 29,97 |
| М2 | 37 | 83 | 34,04 | 55,50 | 26,97 | |
| М3 | 30 | 26 | 27,60 | 45,00 | 16,47 | |
| М4 | 30 | 87 | 27,60 | 45,00 | 16,47 |
3. Производим расчёт для двух попарно взятых молниеотводов М1-М2, М2-М3 и М3-М4 и М4-М1. В зависимости от высоты молниеотводов используем формулы Таблицы 5 (если высота молниеотводов одинаковая — М3-М4) либо Таблицы 6 (если высота молниеотводов разная — М1-М2, М2-М3, М4-М1).
| Определяемый параметр | Уровень защиты II | |
|---|---|---|
| L ≤ h | h < L ≤ 6h | |
| hc | h0 | h0-0,14(L-h) |
| rc | r0 | r0 |
| rcx | rx | r0(hc-hx)/hc |
| При L > 6h молниеотвод рассматривается как одиночный | ||
| Определяемый параметр | Уровень защиты II |
|---|---|
| hc | (hc1 + hc2)/2 |
| rc | (r01 + r02)/2 |
| rcx | rc(hc + hx)/hc |
| При L > 6hmin молниеотвод рассматривается как одиночный |
Получаем следующие значения
| Зона | hc1 | hc2 | r01 | r02 | hc | rc | rcx |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| М1-2 | 30,98 | 28,86 | 58,50 | 55,50 | 29,92 | 57,00 | 23,66 |
| М2-3 | 27,60 | 21,16 | 55,50 | 45,00 | 24,38 | 50,25 | 14,18 |
| М3-4 | - | - | - | - | 27,60 | 45,00 | 16,47 |
| М4-1 | 19,62 | 25,52 | 45,00 | 9,00 | 22,57 | 27,00 | 6,07 |
4. Далее откладываем перпендикуляр к середине отрезка, соединяющего два молниеотвода, отмечаем rcx и проводим касательные к окружности rx каждого из двух молниеотводов.
Выполнив построение для каждой пары молниеотводов, получаем необходимую зону защиты.
4. Объём проектирования системы молниезащиты
При проектировании необходимо построить план, на котором будут показаны зоны защиты. За основу берётся разработанный план подстанции с изображением всего оборудования, зданий и коммуникаций и наносится контур (контуры) защитных зон.
План молниезащиты должен включать в себя следующую информацию:
- все молниеотводы с нумерацией, символом молнии, указанием высоты;
- расстояния между соседними молниеотводами, высота(-ы) защиты, радиусы зон защиты на необходимой(-ых) высоте(-ах);
- таблица с указанием высоты защищаемых объектов;
- в примечаниях указывается ссылка на нормативный документ, в соответствии с которым выполнены расчёты.
Граница зоны защиты наносится жирной линией, второстепенные линии и размеры, используемые в расчётах, — тонкой.
ВЫВОД
Молниезащита подстанции представляет собой комплекс мероприятий по защите от прямых ударов молнии (внешняя система молниезащиты) и её вторичных воздействий (внутренняя система молниезащиты).
Разработка эффективной системы молниезащиты является обязательным условием для предотвращения потенциальных аварий и снижения ущерба как для оборудования, так и для сотрудников, что в свою очередь гарантирует стабильную и безопасную эксплуатацию электрических систем
ССЫЛОЧНАЯ ЛИТЕРАТУРА
Более подробную информацию можно найти в ГОСТе, стандартах организаций и справочниках. Все указанные нормативно-технические документы, в актуальных редакциях, хранятся на странице НТД и отфильтрованы по ссылке⎘.
В телеграм