Определение высоты молниеотводов подстанции

УДК 621.3

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВЫСОТЫ МОЛНИЕОТВОДОВ ПОДСТАНЦИИ

М. В. Шкаруба, Д. И. Данилов

Омский государственный технический университет, г. Омск, Россия

DOI: 10.25206/2310-9793-2017-5-3-140-144

Аннотация - в статье отмечено, что с переходом со старой методики расчета высоты молниеотводов [1] на новую методику [2] существенно усложнилась задача определения высоты молниеотводов подстанции. Это вызвано тем, что в новой методике отсутствуют формулы для расчета зон защиты 3 и 4 молниеотводов. В результате проведенных расчетов и экспериментов были предложены формулы расчета для 3 и 4 молниеотводов для новой методики, что теперь позволяет выполнять молниезащиту подстанции так же, как и по старой методике.

Ключевые слова: молниезащита, защита подстанции, молниеотвод, прямой удар молнией.

I. Введение

Для защиты подстанций от прямых ударов молнии обычно применяются стержневые молниеотводы. Защитное действие такого молниеотвода основано на явлении избирательной поражаемости молнией высоких объектов. Зоной защита молниеотвода называют пространство вокруг молниеотвода, в котором поражение защищенных объектов маловероятно. Зоны защиты молниеотводов определяются экспериментально на моделях. Долгие годы молниезащита подстанции выполнялась по методике, предложенной во Всесоюзным электротехническом институте им. В.И. Ленина (ВЭИ) на основе исследований, проведенных в 1936-1940 гг. А.А. Ако-пяном.

Зона защиты одиночного молниеотвода по этой методике представляет собой «шатер» (рис.1,а). Если объект находится на границе этой зоны (hx), то защищен с вероятностью Р ~ 0,999.

Рис.1. Зоны защиты одиночного молниеотвода высотой до 60 м по методике Акопяна

и по новой методике

Зона защиты двух молниеотводов шире, чем простая сумма зон одиночных молниеотводов. Граница внешней зоны определяется так же, как и для одиночного молниеотвода. Граница зоны защиты между молниеотводами (в вертикальном сечении) определяется окружностью радиусом R, проходящей через вершины молниеотводов и точку, расположенную посредине между молниеотводами на высоте: h = h - a/7, где а - расстояние между молниеотводами, м (рис. 2,а).

Зона защиты трех и более молниеотводов превышает сумму защиты одиночных молниеотводов. На рис. 2 показана зона защиты трех молниеотводов в горизонтальном сечении. Внешняя часть зоны защиты определяется так же, как и зона защиты двух молниеотводов. А условие защищенности всей остальной площади, ограниченной треугольником, выражается соотношением ha > D/8, где D - диаметр окружности, проведенной через три молниеотвода, ha - активная зона защиты.

Для четырех молниеотводов, лежащих в вершинах прямоугольника, при проверке защищенности всей площади на уровне Ьх нужно брать диагональ D .

При произвольном расположении четырех и более молниеотводов защищаемую площадь нужно разбить на треугольники.

Эта методика вошла в «Руководящие указания по расчету зон защиты стержневых и тросовых молниеотводов» [1]. Она очень удобна для расчетов, так как позволяет по высоте защищаемого объекта сразу определять высоты 3 - 4 соседних молниеотводов. Методика хорошо продумана для расчета защиты подстанций от прямых ударов молнии [3]

II. Постановка задачи

В дальнейшем было решено перейти на международные стандарты, и в 2003 году приказом Минэнерго России утверждена новая «Инструкция по устройству молниезащиты зданий, сооружений и промышленных коммуникаций» [2]. В новой методике расчета зона защиты одиночного молниеотвода высотой до 150 м представляет собой круговой конус высотой (рис.1, б). На рис. 2, а приведена зона защиты двойного молниеотвода (кривой для примера изображена зона защиты двух молниеотводов по методике Акопяна).

Новая методика содержит формулы расчета для одного и двух молниеотводов для разных надежностей, но использовать ее для расчета подстанций очень сложно, так как в ней отсутствуют формулы для 3 и 4 молниеотводов.

На кафедре «Электроснабжение промышленных предприятий» ОмГТУ было предложено усовершенствовать эту методику расчета и довести ее до удобного применения. Для этого на основании расчета и эксперимента новую методику было решено дополнить формулами для расчета зон защиты 3 и 4 молниеотводов, аналогичным формулам Акопяна

Ьи,з = Ь, + D/8 и ^,2,3,4 = Ь + D/8,

только здесь должен стоять другой коэффициент К, а не 8.

Эти зависимости можно получить, если преобразовать формулы, приведенные в [2]. Однако расчеты показали, что коэффициент К в этой методике не является постоянным и зависит от многих причин. Особенно сильно влияет вероятность защиты. Влияют на коэффициент К также размеры защищаемой площади.

Поэтому было решено найти значение коэффициента К для конкретной задачи. В качестве такой задачи была выбрана молниезащита типовой подстанции 110/ 6-10 кВ [3] (рис. 3). Подстанцию будем защищать с вероятностью Р ~ 0,999. Если изменять размеры подстанции в допустимых пределах, то значение коэффициента К для расчета этой подстанции можно принять равным 7:

Ь123 = Ь + D/7 и Ь1234 = Ь + D/7

Рис. 2. Зона защиты двойного молниеотводов (а) (здесь Ис - наименьшая высота защиты между молниеотводами по методике Акопяна) и зона защиты трех молниеотводов в горизонтальном сечении (б) на высоте Ъ :

1, 2, 3 - молниеотводы

Как показали расчеты, молниеотводы будут получаться примерно на 5% выше, чем по методике Акопяна. Это вызвано тем, что у новой методики значение Ь (рис. 2, а) для двух молниеотводов немного меньше, чем по методике Акопяна.

Рис. 3. Типовая понизительная подстанция на 110/6-10 кВ

IV. Результаты эксперимента

Полученные расчеты были проверены экспериментально. Для этого использовался ГИН-300 кВ (рис. 4,а). Для него был изготовлен макет подстанции в масштабе, это площадка с 4 молниеотводами и защищаемым объектом в центре (рис. 4,б). Защищаемый объект и молниеотводы были выполнены на резьбе, что позволяло регулировать их высоты. Сначала была установлена высота защищаемого объекта, по формуле (2) вычислены и установлены все 4 молниеотвода. Затем выполнялось по 1000 разрядов ГИН, и высота защищаемого объекта менялась до тех пор, пока в него не приходился всего 1 разряд ГИН. Экспериментальные и расчетные данные хорошо совпадали.

а) б)

Рис. 4. Фотографии генератора импульсных напряжений ГИН-300 кВ (а) и площадки с защищаемым объектом и 4 молниеотводами (б).

В дальнейшем была сделана точная модель подстанции на 110/6-10 кВ и эксперимент повторен на ГИН-1 МВ (рис. 5). Этот эксперимент был необходим для того, чтобы исключить влияние электрооборудования на точность расчета. Во время эксперимента после установки расчетных значений высот молниеотводов все разряды приходились в молниеотводы.

Рис. 5. Фотографии генератора импульсных напряжений (а) и модели подстанции на 110/6-10 кВ (б).

V. Обсуждение результатов

Расчеты и эксперименты показали, для новой методики получить универсальные формулы для 3 и 4 молниеотводов, таких как в методике Акопяна (1), не удается. Основная причина в том, что, в отличие от методики Акопяна, здесь в очень широком пределе изменяется надежность защиты ( у Акопяна надежность была принята Р ~ 0,999). А вот для конкретной надежности формулы, например, для Р ~ 0,999, можно принять следующие формулы

Ь1>2,з = Ь + Б/7 и Ь1Д3,4 = Ь + Б/7 .

VI. Выводы и заключение

На основании расчетов и эксперимента определены формулы для 3 и 4 молниеотводов, что теперь позволяет выполнять молниезащиту подстанции в следующей последовательности:

1. Намечаются места установки молниеотводов.

2. Площадь подстанции разбивается на треугольники или четырехугольники, определяется высота молниеотводов по формулам

Ь1,2,3 = Ьс + Б/7 и Ь1,2,3,4 = Ьс + Б/7 .

3. Если какой-то объект оказывается за пределами треугольников (например, закрытое распределительное устройство), то его защищенность проверяется построением зон защиты двух соседних молниеотводов.

Предложенная методика удобна как для ручного расчета, так и для составления программы на ЭВМ.

На кафедре «Электроснабжение промышленных предприятий» ОмГТУ разработана новая программа расчета молниезащиты подстанции на ЭВМ по новой методике взамен устаревшей программы расчета по методике Акопяна [4]. Эта программа широко используется при выполнении дипломных проектов. На рис. 6 приведен фрагмент программы с результатами расчета.

Рис. 6. Результат расчета молниезащиты подстанции на 110/6-10 кВ по новой методике

Список литературы

1. Руководящие указания по расчету зон защиты стержневых и тросовых молниеотводов / СЦНТИ. М., 1974. 19 с.

2. Инструкция по устройству молниезащиты зданий, сооружений и промышленных коммуникаций. М.: Из-во НЦ ЭНАС, 2004. 48 с.

3. Техника высоких напряжений / Под общей редакцией Д. В. Разевига. М.: Энергия, 1976. 488 с.

4. Шкаруба М. В. Техника высоких напряжений: учеб. пособие. Омск: Изд-во ОмГТУ, 2012. 80 с.

УДК 621.313

РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ДИАГНОСТИРОВАНИЯ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ КОЛЛЕКТОРНО-ЩЕТОЧНОГО УЗЛА ТЯГОВОГО ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ ПОДВИЖНОГО СОСТАВА

П. К. Шкодун, А. В. Долгова

Омский государственный университет путей сообщения, г. Омск, Россия

В01: 10.25206/2310-9793-2017-5-3-144-154

Аннотация - Данная статья посвящена формированию основ методики технического диагностирования узла «коллектор-щетка» тяговых электрических двигателей. С применением математического аппарата нечеткой логики сформированы математические модели в пространстве выбранных признаков, позволяющие численно оценивать предложенные комплексные показатели качества коммутации, механической обработки и ремонта для произвольных значений исходных диагностических параметров. Полученные модели составляют основы методики технического диагностирования коллекторно-щеточного узла тяговых электрических машин.

Ключевые слова: подвижной состав, тяговый электродвигатель, коллекторно-щеточный узел, диагностические параметры, нечеткий вывод.