Молниеотвод

Стандартный молниеотвод выполнен из нескольких элементов:

Рис. 1 - Молниеодвод стержневого типа

Конструкция молниеотвода:

1. Молниеприемник стержневого типа (1).
2. Несущая конструкция (2).
3. Токоотвод (3).
4. Заземляющее устройство (4).

Молниеприемник представляет собой главную "цель" для молнии. Поэтому данный элемент рассчитан на то, чтобы выдерживать воздействия мощных импульсных токов молнии, а также значительные механические нагрузки. На несущую конструкцию молниеотвода (громоотвода) устанавливается молниеприемник и крепится токоотвод. Все части громоотвода объединены в прочную и жесткую конструкцию, способную отлично противостоять ветровым нагрузкам, а также прямым ударам молнии. Благодаря несущей конструкции громоотвода, имеющей достаточную механическую прочность и повышенной устойчивостью, исключается падение молниеотвода на энергооборудование и аппаратуру электрических подстанций.

При помощи токоотвода осуществляется соединение молниеприемника и заземляющего устройств: именно токоотвод обеспечивает прохождение импульсных грозовых токов от молниеотвода до заземляющего устройства. Поэтому токоотвод изготавливается с большим запасом прочности, с учётом запредельных тепловых и электродинамических перегрузок, источником которых является ток молнии. Заземляющее устройство необходимо для отвода разряда в землю и уменьшения до приемлемого уровня разности потенциалов в элементах молниеотвода.

Качество молниезащиты энергообъектов в напрямую связано с состоянием заземляющего устройства, а также его конструктивного исполнения. В реальных условиях заземлители могут находиться в различных условиях: сухая почва или влажный грунт, пропитанный солями и кислотами, которые оказывают основное влияние на электропроводимость земли. В тоже время кислоты и соли способствуют усиленной электрохимической коррозии металлических частей заземлителя. Поэтому подбор эффективных материалов и выбор оптимальной конструкции заземляющего устройства должен проводиться с учётом реальных условий, в которых заземляющее устройство будет эксплуатироваться.

Для защиты энергообъектов применяются молниеотводов с опорными конструкциями из дерева, железобетона и металла. Стержневые громоотводы на деревянных опорах чаще всего используются для обустройства молниезащиты энергообъектов подстанций с рабочим напряжением порядка 20...35 кВ. Данный тип молниеотводов имеет высоту до 25 метров и состоит из деревянной опоры (поз. 1) и железобетонных приставок (поз. 2).

На Рис. 2 продемонстрированы классические конструкции громоотводов с деревянными опорными элементами. При высоте молниеотвода свыше 12 метров деревянные опоры имеют составную конструкцию. Для изготовления стоек применяется хвойные породы дерева: сосна, ель, пихта, лиственница с диметром ствола в верхней части более 120 мм. Для продления срока службы опоры обрабатываются специальными составами с антисептирующими свойствами. Особой долговечностью отличаются опоры из лиственницы: таёжная древесина зимней рубки практически не подвержена гниению и может использоваться без дополнительной обработки.

Рис. 2. Конструкции стандартных молниеотводов с деревянными опорами и приставками из железобетона (1 – стойки из дерева; 2 – приставки из железобетона; 3 – молниеприемники).

Для изготовления молниеприемников (поз. 3) применяется сортовой прокат любого профиля, который имеет поперечное сечение более 100 мм2. Рабочая часть молниеприёмника имеет высоту не более 2 500 мм (от места крепления к опоре и верха). Если для молниеприёмника используются металлические трубы – верхний торец трубы наглухо заваривается или закрывается пробкой из металла.

На Рис. 3. показана схема закрепления трубчатого молниеприёмника на деревянную стойку. Для исключения коррозии необходимо все металлические части громоотвода окрашивать защитными красками или применять оцинкованные материалы.

Рис. 3. Способы крепления элементов молниеприемника к деревянной опоре молниеотвода (1 –труба 3/4"; 2 – металлическая скоба; 3 – токоотвод из кругляка; 4 – держатель; 5 – шайба).

Стержневые молниеотводы, смонтированные на деревянные опоры, оснащаются молниеприёмниками различного профиля. Для безопасного пропускания импульсных токов рекомендуется изготавливать молниеприемники из стального проката, который имеет диаметр более 6 мм (круглые стальные прутки) или толщину более 4 мм (угловая или полосовая сталь с поперечным сечением свыше 48 мм2). Крепление тоководов к деревянным опорным стойкам осуществляется посредством специальных скоб. Отдельные части токоотвода соединяются с помощью сварки. Аналогичным способом выполняется соединение токоотвода с молниеприёмником и заземляющим устройством.

Установка молниеотводов на деревянных опорах с использованием деревянных приставок оказалась неэффективной. В песчаных и суглинистых грунтах деревянные части быстро приходили в негодность. Поэтому в настоящее время рекомендуются только железобетонные приставки: прочные и надёжные они отличаются большим сроком службы в сложных условиях. Стержневые громоотводы высотой до 12 метров монтируются на одну железобетонную приставку, а молниеотводы высотой свыше 12 метров устанавливаются при помощи двух приставок из высокопрочного железобетона.

Для создания молниезащиты энергообъектов электрических подстанций (6-35 кВ) применяются стандартные молниеотводы, размещённые на деревянных стойках с приставками из бетона не меньше М 200 и стальной арматуры (СтЗ, Ст5). В поперечном сечении приставки могут иметь форму прямоугольника, круга, трапеции, двутавра или быть многогранными. Соединение железобетонных приставок с деревянными стойками выполняется с использованием скоб с болтами или проволочных бандажей. Опоры заглубляются в землю на глубину 2 000 ...2 500 мм.

Заземляющие устройства для молниеприемников на деревянных стойках выполняются из высококачественных конструкционных сталей. Стандартами установлены следующие размеры минимального сечения (толщины) заземлителей:

• Стальные прутки круглого сечения диаметром не менее 6 мм.
• Полосы прямоугольного сечения – площадь поперечного сечения 48 мм2, толщина полосы 4 мм,
• Уголковая сталь – площадь поперечного сечения 48 мм2, толщина стороны 4 мм,
• Стальные газовые трубы – минимальная толщина стенок 3,5 мм.

Чаще всего для изготовления заземляющих устройств применяются следующие типы материалов:

• Полосовая сталь толщин 4 мм, ширина 20-40 мм.
• Уголковая сталь марки Ст5 и Ст6.
• Стальные трубы диаметром от 50 ...до 80 мм.

Молниеотводы стержневого типа, установленные на ж/б опоры, обладают прочной железобетонной конструкцией и оснащаются металлическим молниеприемником. Ранее использовались стандартные молниеотводы высотой до 16 метров на стойках из сборных ж/б изделий (Рис. 4). Для изготовления 12-ти метровых стоек использовался металлический прокат в форме шестигранника. В верхней части опоры приваривались металлические плиты, предназначенные для размещения молниеприемников круглого сечения, изготовленных из стальных труб. Для защиты от коррозионных процессов молниеприемники покрывались специальной краской или оцинковывались.

Рис. 4. Конструкции стержневых молниеотводов на сборных ж/б опорах (14 ...22 метра)

При высоте опор более 18 метров используются стандартные 12-ти метровые стойки, присоединяемые к железобетонными приставкам (7,5 м). В точках контакта стоек железобетонных опор с приставками к металлической арматуре привариваются стальные плиты. При помощи этих плит производится скрепление стоек с железобетонными приставками. Через отверстия приставки и стойки (Рис. 4) пропускается сквозной болт, который служит монтажным приспособлением и обеспечивает безопасную установку стойки опоры на железобетонные приставки. В настоящее время для стержневых молниеотводов на железобетонных опорах используются унифицированные изделия из стандартного железобетона, которые специально предназначены для установки опор высоковольтных ЛЭП (Рис. 5).

Рис. 5. Конструкции молниеотводов стержневого типа на железобетонных опорах (а – опоры изготовлены из вибробетона; б — для изготовления опор использован центрифугированный высокопрочный бетон).

Рис. 6. Стержневые молниеотводы для железобетонных опор.

Молниеотвод без прожекторной площадки (а):
1 – несущая конструкция железобетонной стойки.
2 – железобетонный подпятник.
3 – оголовок металлический.
4 – конструктивный крепёжный элемент.
5 – металлическая часть стойки.
6 – металлический молниеприемник.

Молниеотвод оснащённый прожекторной площадкой (б):
1 – несущая конструкция железобетонной стойки.
2 – железобетонный подпятник.
3 – оголовок металлический.
4 – конструктивный крепёжный элемент.
5 – металлическая часть стойки.
6 – металлический молниеприемник.
7 – площадка с осветительной аппаратурой.
8 – части ограждения прожекторной площадки.
9 – металлическая лестница.
10 – элементы крепления лестницы.

Железобетонные стойки изготавливаются из высокопрочного бетона марки М-300 и выше с металлической арматурой из стали марки СтЗ и Ст5. Для снижения веса стойки опоры внутренняя часть выполнялась полой. Металлическая арматура, расположенная внутри железобетонных стоек и приставок, представляет собой цельную конструкцию и выполняет функции токоотвода. В нижней части стойки (2,5...3 метра от нижнего конца стойки) делается металлический вывод, присоединённый к металлической арматуре. Данный элемент предназначен для соединения металлической арматуры и заземлителя громоотвода. Заземляющие устройства железобетонных молниеотводов стрежневого типа аналогичны заземлителям молниеотводов на деревянных опорах.

Для комплексной и надежной защиты подстанций от прямых попаданий молнии используются стержневые молниеотводы с удлиненными стальными и железобетонными опорами (до 40 м). На электроподстанциях необходимо обеспечить равномерное и достаточное освещение ОРУ и прилегающей территории. Для этого на их территории монтируются осветительные прожектора, размещенные на высоте порядка 10...15 метров. На Рис. 6 показаны громоотводы стержневого типа на железобетонных опорах с прожекторной площадкой (а) и без неё (б).

Стержневые молниеотводы на железобетонных опорах имеют несущую конструкцию на основе полой железобетонной стойки конусообразной формы. В нижней части диаметр стойки равен 800 мм, в верхней части он составляет 500 мм. В качестве токоотвода используется стальная арматура. На верхнем торце стойки устанавливается оголовок (3) и металлическая стойка (5), скреплённые при помощи крепёжного элемента (4). Металлическая стойка изготавливается в форме решётчатой конструкции из стальных уголков (36*4 ...50*5 мм). Длина молниеприемника (6) составляет 5 710 мм; диаметр в верхней части 26 мм. На отметке 710 мм молниеприёмник приварен к стойке. Для повышения общей жесткости молниеприёмника на длине 2 000 мм от верней части опоры к наружной поверхности молниеприёмника по окружности приварены металлические полосы (50*6 мм).

Установка в грунт производится на отметке 3 300 мм: в нижней части опоры закрепляется подпятник (2), закрывающий полую часть. На уровне 200 мм от поверхности земли закрепляется металлический элемент, соединённый с арматурой железобетонной стойки. Данный конструктивный элемент служит в качестве звена, соединяющего молниеотвод и заземляющее устройство.На Рис. 6 (б) показан стержневой молниеотвод с железобетонной опорой и прожекторной площадкой (7).

Конструкция молниеприёмника, железобетонной и металлической стойки (5) аналогичны молниеотводу без прожекторной площадки. Но в отличие от последней, имеется площадка для установки осветительной аппаратуры (7), металлическое ограждение (8) и лестница для обслуживающего персонала (9). Прожекторная площадка изготовлена из стального кругляка толщиной 12 мм. Лестница состоит из уголковой стали (40*4 мм и 50*4 мм), для ступеней использован круглый стальной прокат диаметром 16 мм. Ограждение площадки сформировано из уголков размером 50*4 мм и круглой стали диаметром 20 мм. Железобетонные опоры размещены на глубине 3 500 мм.

Молниеотводы на металлических опорах нашли широкое распространение для защиты электрических подстанций. Основные конструкционные элементы выполняются из высокопрочного стального проката: уголка и полос. Для защиты коррозии наружные металлические поверхности покрываются двумя слоями защитного лака с алюминиевой пудрой (примерно 20%). Молниеотводы стержневого типа размещают отдельно (с собственной системой заземления) или на конструкциях открытых распределительных устройств с соединением с общей системой заземления.

Практический опыт эксплуатации стержневых молниеотводов, размещенных на крышах зданий и сооружений, показал неэффективность подобных решений. Данные конструкции приводят к ускоренному износу кровельных материалов и требуют дополнительных затрат при проведении сервисных и ремонтных работ. В этой связи в настоящее время не установк стержневых молниеприемников на крышах зданий не выполняется.

Рис. 7. Молниеотводы стержневого типа, размещённые на металлических опорах: а – молниеотвод тросовой конструкции; б – несущая конструкция стержневого молниеотвода.

На рис. 7 показаны несущие конструкции стандартных молниеотводов, собранные из отдельных 5-метровых секций. Размерный ряд молниеотводов включает несколько видов: от 10-метровой конструкции (2 секции) до 50-метровой конструкции, в состав которой входит металлический молниеприёмник. Как правило при установке стержневого молниеотвода на нем выполняют площадки для установки освещения. Сейчас применяются стержневые молниеотводы на металлических опорах двух видов: с прожекторной площадкой и без прожекторной площадки.

На Рис. 8 показаны типовые конструкции молниеотводов стержневого типа без прожекторной площадки (а) и с площадкой для размещения прожекторного оборудования (б). Для несущей конструкции молниеотвода без прожекторной площадки применяется высокопрочный стальной прокат с размером уголка от 50*4 до 80*6 мм. Тросостойка (поз. 2) собрана из угловой стали 36*4...50*5 мм. Пятиметровый молниеприемник (поз. 3) изготовлен из круглого стального стержня, диаметр которого составляет 24 мм. В своей нижней части молниеприемник имеет рёбра жесткости (стальные полосы 50*4 мм, приваренные под углом 120° по всей окружности).

Для несущей конструкции стрежневого молниеотвода, имеющего прожекторную площадку, использована угловая сталь, с размером сторон от 65 до 110 мм и толщиной металла 5...8 мм. Из угловой стали 36*4...50*5 мм изготовлена металлическая тросостойка (поз. 2). Пятиметровый молниеприемник (поз. 3) имеет одинаковую конструкцию для стержневых молниеотводов обоих типов (Рис. 8а и Рис.8б). Прожекторная площадка (поз. 4) изготовлена из стального кругляка диаметром 12 мм.

Для металлического ограждения прожекторной площадки (поз. 5) использованы стальные уголки 50*4 мм и круглый прокат диаметром 20 мм. Металлическая лестница (поз. 6) изготовлена из угловой стали (40*4 и 50*4). Её ступени выполнены из кругляка диаметром 16 мм. Одиночные стержневые молниеотводы на металлических опорах всегда монтируются на прочных ж/б фундаментах. В качестве токоотводов применяются несущие стальные конструкции.

Для полноценной защиты энергообъектов современных подстанций используются молниеотводы (громоотводы) с несущими элементами из стального проката (уголки и полосы). Чаще всего конструкция громоотвода состоит из цельнотянутой стальной трубы или более сложной системы из нескольких труб различного диаметра. При высоте молниеотвода свыше пяти метров его основание выполняется в виде решётчатой конструкции из стальных уголков.

Рис. 8. Молниезащита электрических подстанций. Стержневые молниеотводы с металлическими опорами.

Соединение стержневых молниеотводов к конструкциям ОРУ производится разъёмными (хомуты и прочие крепежные элементы) и неразъёмными способами (сварные соединения).

Металлические конструкции современных молниеотводов, используемых для создания комплексной молниезащиты электрических подстанций и других энергообъектов, эффективно выполняют функции токоотводов. Как правило, молниеприёмники громоотводов монтируют на крышах зданий и строений. Чаще всего применяются сетчатые молниеприёмники: металлические сетки эффективной площадью до 150 квадратных метров.

Для изготовления сетки используются стальные прутки толщиной от шести до семи миллиметров. Для обеспечения свободного стока дождя и снега с поверхности кровли молниеприёмники сетчатого типа укладывают между стяжкой крыши и слоями защитной гидроизоляции и теплоизоляции. На Рис. 9. показаны типовые схемы сетчатых молниеприёмников. Для изготовления тоководов применяется стальной прокат в виде прутьев (толщиной от 6 мм) и полос (минимальное сечение 48 мм2 и толщина более четырёх миллиметров).

Рис. 9. Конструкции молниеприемников сетчатого типа (указаны размеры для объектов II категории; размеры в скобках для объектов III категории)

Если система молниезащиты установлена на здании с металлической крышей, то сами листы будут служить в качестве молниеприёмников.
Для подключения токоотводов к листам металлической кровли применяются специальные прижимающие устройства (Рис. 10).

Рис. 10. Конструкция зажима для присоединения молниеотвода к кровле из металлических листов:

Н открытых электрических подстанциях молниеотводы стержневого типа устанавливаются непосредственно на ОРУ или рядом с силовым оборудованием. В первом случае для заземления молниеотводов они соединяются с заземляющим устройством ОРУ, а во втором случае молниеприемники имеют собственное заземление, не связанное с контуром заземления ОРУ.

Заземляющие устройства на электрических подстанциях предназначены для следующих целей:

• Создание безопасных условий для обслуживающего персонала (защитное заземление).
• Присоединение нейтрального провода генераторов и трансформаторов (защитное рабочее заземление).
• Подключение технических средств грозозащиты (разрядников, молниеотводов, громоотводов).

С вышеперечисленными функциями успешно справляется общее заземляющее устройство, характеристики которого подбираются в соответствии с наиболее строгими требованиям. На энергообъектах подстанций защитное заземление является приоритетным по отношению к другим видам заземляющих устройств. Оно полностью удовлетворяет актуальным требованиям к системам грозозащиты и обеспечивает безопасные условия работы для технического персонала энергообъектов подстанций.

Обслуживающий технический персонал электрических подстанций может подвергнуться опасности в случае повреждения защитной изоляции, при этом возникает короткое замыкание, ток которого (Iкз), проходит через заземляющее устройство. На Рис. 11 в виде схемы показан масляный выключатель с металлическим баком, присоединённый к заземляющему устройству (сопротивление заземлителя равняется Ra).

Рис. 11. Расчёт напряжения прикосновения и шагового напряжения:
1 – кривая распределения разности потенциалов; 2 – кривая распределения значений напряжения прикосновения.

При пробое изоляции масляного выключателя через элементы заземляющего устройства пойдёт ток Iз. В радиусе 20 м от заземляющего устройства каждая точка будет иметь разность потенциалов. Кривая 1 наглядно демонстрирует распределение разности потенциалов на поверхности земли. На корпусе бака выключателя и на заземляющем устройстве будет потенциал:

Если человек прикоснётся к корпусу бака то на его руках будет потенциал бака и заземлителя, а ноги человека подвергнутся воздействию потенциала UH, величину которого можно определить по кривой 1. Поэтому, на тело человека будет оказывать влияние разность потенциалов UB–UH (напряжение прикосновения Uпр), которое рассчитывается по формуле:

Кривая 2 (Рис. 11) наглядно демонстрирует изменение величины напряжения прикосновения: с приближением к опасному участку уменьшается напряжение прикосновения. Если человек не дотрагивается до поверхности бака, а просто подходит к нему ближе, то его левая и правая нога имеют собственный потенциал – разность значений этих потенциалов именуется шаговым напряжением. Большое напряжение шага и прикосновения представляют серьёзную опасность для здоровья и жизни технического персонала электрических подстанций.

Если сопротивление заземляющего устройства уменьшается, то это приводит к снижению до безопасного уровня напряжений шага и прикосновения, что в свою очередь уменьшает вероятность поражения человека электрическим током.
В целях обеспечения для персонала подстанций безопасных условий предусмотрено нормирование предельных значений стационарного заземления энергообъектов:

• Для оборудования с рабочим напряжением свыше 1 000 В (заземлённая нейтраль, ток однофазного КЗ более 0,5 кА) сопротивление заземляющего устройства не должно превышать 0,5 Ом.
• Для оборудования с рабочим напряжением < 1 000 В (заземленная нейтраль, мощность генераторов и трансформаторов более 100 кВА) сопротивление ЗУ должно быть менее 4 Ом.
• Для оборудования с рабочим напряжением менее 1 000 В (заземлённая нейтраль, мощность генераторов и трансформаторов не более 100 кВ*А) сопротивление заземляющего устройства должно быть не более 10 Ом.
• Для энергообъектов с рабочим напряжением до 1 000 В, имеющих заземленную нейтраль, расчёт величины сопротивления заземления производится по формуле:

Для энергообъектов с рабочим напряжением свыше 1 000 В (незаземленная нейтраль) значение сопротивления заземления рассчитывается по формуле:

где R – максимальное значение сопротивления заземления, Ом;
I – суммарный ток замыкания на землю, А.

На энергообъектах с изолированной нейтралью, в которых отсутствует компенсация ёмкостного тока КЗ, значение емкостного тока достигает нескольких сотен ампер и может продолжаться в течение долгого времени. Величина полного сопротивления ЗУ не должна превышать 10 Ом.

Сопротивление заземления на энергообъектах, имеющих компенсацию емкостных токов рассчитывается по вышеприведённым формулам, однако расчетное значение тока замыкания на землю на 25 % превосходит величину номинального тока. Для тех заземляющих устройств, которые не снабжены тококомпенсирующей аппаратурой, для расчетных целей принимается величина остаточного тока замыкания на землю (не менее 30 А).

Нормированная величина сопротивления заземляющих устройств вполне удовлетворяет действующим требованиям к системам рабочего и грозозащитного заземления. На электрических подстанциях для всех энергообъектов, которые питаются переменным или постоянным током с рабочим напряжением свыше 500 В, в обязательном порядке выполняется защитное заземление.

На промышленных энергообъектах с рабочим напряжением менее 500 В (кроме энергетического оборудования с переменным током не более 36 В) монтаж защитного заземления производится в следующих случаях:

• В помещениях с повышенным уровнем опасности.
• В особо опасных помещениях.
• При размещении оборудования вне помещений.
• На взрывоопасных энергообъектах с напряжением не более 36 В.

Конструкция заземляющих устройств для защиты электрических подстанций состоит из системы стальных электродов (L ≤ 5 м), находящихся в грунте в вертикальном положении. Верхние части заземлителей объединены металлическими полосами, образующими сетчатую систему. Число электродов и размер ячеек сетки определяется расчетным методом. Таким образом, значение стационарного заземления электрических подстанций зависит от:

• Геометрических размеров заземляющих устройств.
• Величины удельного сопротивления грунта.

Любой грунт, находящийся в сухом состоянии, обладает повышенным значением сопротивления растеканию тока. При высокой влажности грунта за счёт электрохимических реакций солей и кислот возникают электролиты, обуславливающие повышенную электропроводимость грунта, которая напрямую связана с влагоёмкостью почвы. Приближенные значения удельных сопротивлений типичных грунтов приведены в Таблице 1:

Таблица 1. Удельные сопротивления грунта.

При расчетах характеристик заземляющих устройств следует обращать внимание на взаимосвязь между удельным сопротивлением грунта и временем года. При измерениях удельного сопротивления грунта в зимнее время, необходимо применять сезонный коэффициент k. Для расчета заземления системы молниезащиты энергообъекта удельное сопротивление грунта также определяется с учетом сезонном коэффициента k, которые позволяет получить корректное значение удельного сопротивления.

Расчётное значение для сезонного коэффициента k приведено в Таблице 2 (зависит от влажности грунта):

Таблица 2. Значение сезонного коэффициента k в зависимости от влажности почвы

Стационарное сопротивление заземляющего электрода RD, находящегося в грунте в вертикальном положении (сопротивление растекания тока), определяется по следующей формуле:

где ρ – значение удельного сопротивления грунта, Ом-м.
L – длина заземляющего электрода, м.
d – внешний диаметр горизонтального электрода, м.

Стационарное сопротивление для горизонтального заземлителя на расчётной глубине рассчитывается по нижеприведённой формуле:

где L – длина горизонтального заземляющего электрода, м.
ρ – удельное сопротивление почвы, Ом-м.
d – диаметр горизонтального электрода, м.
t – глубина погружения заземляющего электрода в почву, м.

Согласно вышеприведённым формулам, у одиночного вертикального стержня (L=2,5...3.0 метра) в суглинистой почве (ρ =100 Ом*м) будет сопротивление около 30 Ом. Металлическая горизонтальная полоса (L=5,0 метра), находящаяся на глубине около 70 см, будет иметь стационарное сопротивление порядка 25 Ом. Расчетные значения показывают, что одиночные заземляющие устройства совершенно не удовлетворяют требованиям, которые предъявляются к сопротивлению заземляющих устройств, входящих в систему молниезащиты электрических подстанций.

Поэтому, для обустройства эффективной системы заземления промышленных энергообъектов применяются заземляющие устройства, состоящие из множества горизонтальных и вертикальных заземлителей. При создании системы заземления необходимо учитывать эффект взаимного экранирования – при небольшом расстоянии между соседними электродами возрастает сопротивление отдельно взятого заземлителя.

При движении тока по заземляющему электроду вокруг одиночного электрода возникают линии тока, обладающие правильной и равномерной структурой. В заземляющей системе, где имеется множество вертикальных или горизонтальных электродов, образуются неоднородности, связанные с взаимным влиянием линий тока соседних электродов (Рис. 12).

Рис. 12. Линии тока в заземлителе сложной формы при небольшом расстоянии между смежными электродами

Для корректного определения значения сопротивления электрода в заземляющем устройстве сложной формы (при наличии эффекта взаимного экранирования заземляющих электродов) применяется коэффициент использования заземлителя. Данный коэффициент меньше единицы и непосредственно связан с конструкцией электродов. В Таблице 3 представлены значения коэффициента использования Чтр для заземлителей трубчатой формы (электроды расположены в ряд; влияние связывающей полосы не учитывается).

Таблица 3. Определение коэффициента использования Чтр в зависимости от количества металлических труб и отношения расстояния между данными трубами к их длине.

В Таблице 4 представлены значения коэффициента использования ηn для заземляющих устройств трубчатой формы (электроды размещены в ряд и объединены между собой стальной полосой).

Таблица 4. Определение коэффициента использования трубчатых заземлителей.

Для создания эффективных заземлителей, предназначенных для защиты электрических подстанций, применяются искусственные и естественные заземляющие устройства, эксплуатирующиеся совместно с молниеотводами (громоотводами). Искусственные конструкции представляют собой металлическую сетку из стальных полос, расположенных в горизонтальной плоскости параллельно и перпендикулярно друг другу. При помощи полос все вертикальные заземляющие электроды соединяются в единый контур системы заземления энергообъекта.

Расчет сложного контура является трудоёмкой работой, требующей проведения большого объёма вычислительных операций. Для упрощения расчётов применяется более простая формула:

где

Значения коэффициента А, определяемые в зависимости от соотношения lf\/S, представлены таблице 5:

Таблица 5. Значения коэффициента А.

Эквивалентное удельное сопротивление почвы ρэ рассчитывается по кривым, приведенным на Рис. 13. Кривые зависимости, определяющие эквивалентное удельное сопротивление ρэ, соотнесённые к удельному сопротивлению 2-го слоя грунта ρг зависят от геометрических размеров и формы заземляющего контура, а также от глубины размещения электродов в грунте. Представленные кривые построены для различных соотношений между ρi и ρa.

Исходя из фактических размеров заземляющего устройства и метода размещение его в грунте, по кривым из Рис. 13 можно рассчитать эквивалентные удельные сопротивления ρэ. Эти кривые построены для различных типов заземляющих контуров, с учётом влияния неоднородности грунта на полное сопротивление заземлителя и действительное напряжение прикосновения. В качестве естественных заземляющих устройств для энергообъектов электрических подстанций можно привести:

• Системы заземлений опор ЛЭП, подключенные с помощью троса к заземлению подстанции.
• Металлические оболочки подземных кабелей.
• Металлические трубопроводы различного назначения.

Рис. 13. Расчёт относительного эквивалентного удельного сопротивления с учётом неоднородности грунта в точке заземления молниеотвода (громоотвода).

Выполненные расчёты показали, что обустройство защитных заземлений, обладающих минимальным сопротивлением в 0,5 Ом, в отдельных случаях связано с известными сложностями (большие значения удельного сопротивления грунта, незначительная площадь электрических подстанций и пр.), однако в других случаях можно обеспечить безопасные напряжения на электрооборудовании с заземленной нейтралью при сопротивлении, большем, чем 0,5 Ом.

Данное обстоятельство позволяет сэкономить немалое количество дорогостоящего металла при монтаже систем заземления электрических подстанций. В настоящее время действуют нормы, устанавливающие предельно допустимое напряжение на заземляющем проводнике и величину напряжения прикосновения, связанные с длительностью воздействия тока КЗ, которая состоит из времени включения релейной защиты и времени срабатывания выключателя:

Таблица 6. Наибольшее допустимое напряжения прикосновения.

Предельно допустимое значение напряжения на заземлителе не должно быть более 10 000 В. При расчёте систем защитного заземления распределительного электрооборудования и трансформаторных подстанций, с рабочим напряжением более 1 000 В (глухозаземлённая нейтраль) можно руководствоваться актуальными нормами, регламентирующими максимальное допустимое напряжение на заземляющем проводнике и допустимое напряжение прикосновения, которые обеспечивают должный уровень безопасности технического персонала электрических подстанций.

Комплексное заземление энергообъектов электрических подстанций всегда удовлетворяет требованиям стандартов, имеющих отношение к рабочим заземлениям и к системам заземлений средств молниезащиты. Однако при объединение средств грозозащиты и защитных заземлений электрических подстанций следует помнить о следующих особенностях. Все защитные и рабочие заземляющие устройства рассчитаны для отвода токов промышленной частоты.

Сопротивление заземлителей является стационарной величиной, между тем через систему молниеотводов проходит импульсный ток молнии, который по своим вольт-амперным и частотным характеристикам в корне отличается от токов КЗ. При прохождении через заземляющий проводник импульсного тока молнии возникают экстремальные условия, которых не наблюдаются при прохождении тока 50 Гц. При отводе импульсных токов грозового разряда через заземляющее устройство рядом с поверхностью заземляющих электродов отмечается исключительно высокая напряженность электрического поля, которая легко пробивает слой грунта. Вокруг заземляющего проводника возникает токопроводящая зона искрения, приводящая к увеличению эффективного поперечного сечения электрода, за счёт которого снижается общее сопротивление заземлителя.

Однако максимальное снижения сопротивления за счет искрообразования отмечается только в тех случаях, когда заземляющие электроды обладают небольшими геометрическими размерами, а индуктивное сопротивление проводников не оказывает заметного влияния на процесс отвода тока молнии в грунт. Подобные заземлители относятся к сосредоточенным. Величина сопротивления сосредоточенных заземлителей при импульсных процессах намного меньше, чем при прохождении тока с промышленной частотой.

При значительной длине заземляющего устройства индуктивность проводника оказывает серьёзное влияние на процесс отвод импульсного тока молнии в грунт. Степень влияния индуктивности возрастает при уменьшении продолжительности импульса тока молнии, при снижении удельного сопротивления земли и при увеличении протяжённости заземляющих проводников.

При прохождении импульсного тока молнии через заземляющее устройство значительной протяженности последнее можно представить в виде проводника, состоящего из двух частей, разделённых индуктивным сопротивлением (Рис. 14). При моментальном увеличении силы тока грозового разряда (крутая характеристика фронтального импульса) индуктивность заземлителя будет замедлять движение тока в проводнике. Отдалённые части заземляющего устройства (отрезок Б-В) с запозданием включаются в процесс отвода токов импульсного перенапряжения в грунт и поэтому снижают общую эффективность заземлителя. Подобные заземляющие устройства называются протяжёнными.

Протяжённые заземлители характеризуются повышенным сопротивлением при прохождении импульсного тока грозового разряда, которое превышает величину сопротивления при прохождении по заземлителю токов с промышленной частотой. Поэтому штатные выносные заземляющие устройства электрических подстанций, которые устанавливаются в низменным местах (реки, озёра, болота) и обладают низким сопротивлением, совершенно не пригодны для отвода импульсных токов значительной мощности.

Для учёта изменений сопротивления заземляющих устройств в зависимости от линейных размеров заземлителей при прохождении через них импульсных грозовых токов применяется импульсный коэффициент Хи. Данный коэффициент представляет собой отношение импульсного сопротивления Zи к значению стационарного сопротивления R при прохождении по заземлителю токов промышленной частоты.

Рис. 14. Схема функционирования заземлителя протяженной конструкции при отводе грозового заряда в землю

Величину импульсного сопротивления Zи можно определить по формуле:

Коэффициент импульса заземлителя принимает различные значения (он может быть больше, меньше или равен единице) и зависит от того, какой процесс в проводнике при прохождении тока молнии проявляется в большей степени: искрообразование или индуктивное сопротивление. При значительном искрообразовании и слабой индуктивности заземляющего устройства (сосредоточенные заземлители) сопротивление проводника уменьшается, поэтому значение коэффициента импульса будет меньше единицы. При высокой индуктивности (протяженные заземляющие устройства) величина коэффициента импульса превышает единицу.

Если эффект искрообразования и величина текущей индуктивности гасят друг друга, тогда коэффициент импульса равняется единице. Значение импульсного коэффициента стационарных заземляющих устройств связано не только с их геометрией и линейными размерами, но и зависит от величины удельного сопротивления почвы ρ и мощности тока грозового разряда. На рис. 15 в виде кривых представлена зависимость импульсного коэффициента для вертикальных заземлителей от характеристики почвы ρ и параметров тока молнии.

Как видно из приведенных графиков, с возрастанием силы импульсного тока молнии, проходящего через заземляющий проводник и при увеличении удельного сопротивления почвы, отмечается снижение значений импульсного коэффициента. При значительных амплитудах грозовых токов возрастает их плотность, что обеспечивает условия для формирования и развития искровой зоны вокруг проводника, а также приводит к уменьшению его сопротивления.

Рис. 15. Определение импульсных коэффициентов для заземлителей вертикального типа.

При росте удельного сопротивления грунта происходит развитие искровой зоны, величина которой находится в прямой зависимости от пробивной напряженности грунта Епр. Минимальное значение Ещ встречается в грунтах, обладающих удельным сопротивлением ρ=500 Ом*м.

При продолжительности предразрядного времени порядка 3...5 мкс Ещ = 6...12 кВ/см. Следует помнить, что при прохождении импульсного тока грозового разряда через контур защитного заземления электрической подстанции, который имеет значительные линейные размеры, данный контур будет вести себя как протяжённое заземляющее устройство. В этом случае импульсное сопротивление может превысить значение стационарного сопротивления, вследствие преобладания индуктивности проводника над искровыми процессами.

Рис. 16 Значения импульсного и стационарного сопротивления заземляющего устройства электрической подстанции

На рис. 16 показано изменение значений импульсного и стационарного сопротивления заземляющего устройства электрической подстанции в зависимости от размеров заземляющего контура и удельного сопротивления почвы. Заземляющее устройство в виде металлической сетки общей площадью S = 6 400 м2 (сторона контура 80 м), включающее 16 вертикальных электродов (L = 8 метров), при удельном сопротивлении грунта вблизи электрической подстанции ρ = 400 Ом*м обладает стационарным сопротивлением R равным 2,2 Ом, а импульсное сопротивление в этом случае составляет Zи = 2,5 Ом ( при мощности грозового импульса 100 кА и времени разряда τ=6 мкс).

Заземляющий контур с сеткой площадью S = 400 м2 (сторона контура 20 м), состоящий из 4 вертикальных электродов (L = 8 м) при величине удельного сопротивления грунта ρ = 400 Ом*м обладает сопротивлением R= 6,9 Ом и Zи=6,1 Ом. Если в первом примере (S = 6 400 м2) величина импульсного сопротивления превосходит стационарное, то во втором примере (S = 400 м2), значение стационарного заземления превышает значение импульсного заземления.

Исходя из Рис. 16 можно сделать вывод, при увеличении площади заземляющего контура, происходит заметное снижение обоих видов сопротивления: как импульсного, так и стационарного. В заземлителях сложной формы эффект взаимного экранирования проводников отмечается при протекании импульсных токов и токов промышленной частоты. Между тем коэффициент использования заземлителей сложной формы при прохождении через них импульсных грозовых токов имеет меньшее значение, чем при протекании токов промышленной частоты.

Таким образом, при монтаже стержневых молниеотводов на конструкциях ОРУ электрических подстанций, когда заземляющим устройством для молниеотвода (громоотвода) служит заземляющий контур энергообъекта, который имеет значительные геометрические размеры то подобное заземляющее устройство принято считать протяженным. При необходимости заземления отдельных молниеотводов стержневого типа производится обособленное заземление, которое не связано с общим заземляющим контуром подстанции.

В Таблице 7 приведены типовые конструкции заземляющих устройств, которые при минимальной металлоёмкости обеспечивают импульсное сопротивление 10 Ом при попадании грозового разряда с импульсом 100 кА в грунты, обладающие удельным сопротивлением ρ от 100 до 650 Ом*м.

Таблица 7. Конструктивные варианты заземляющих устройств.