Два способа защиты подстанции от прямых ударов молнии.
В ПЭУ сказано [1]: ОРУ-35-500 кВ должны быть защищены от прямых ударов молнии (ПУМ). Открытые подстанции защищаются от прямых ударов молнии стержневыми молниеотводами .
Возможны два способа защиты подстанций.
1. Установка молниеотводов на конструкциях и подсоединение их к общему заземляющему устройству подстанции (рис.6.1,а).
2. Установка отдельно стоящих молниеотводов со своими обособленными заземлениями (рис.6.1,б).
Первый способ защиты дешевле, так как требует значительно меньше металла на изготовление молниеотводов и заземляющих устройств. По этому способу используется высота конструкций, и молниеотводы получаются меньшей высоты, так как они ближе расположены к защищаемому оборудованию и эффективнее используются их защитные зоны. Однако при поражении такого молниеотвода ударом молнии с большой амплитудой тока и высокой крутизной фронта волны значительно возрастает напряжение на заземленных конструкциях с молниеотводами. Это может привести к перекрытию изоляции между токоведущими частями и заземленными конструкциями, что снижает надежность этого способа защиты.
а) б)
Рис.6.1. Установка молниеотводов: а) на конструкциях и подсоединение их к общему заземляющему устройству подстанции; б) отдельно стоящих со своими обособленными заземлениями
Отдельно стоящие молниеотводы с обособленными заземлителями можно установить так, что практически полностью исключаются перекрытия с заземленных молниеотводов на токоведущие части подстанции. Поэтому второй способ защиты оказывается надежнее, но дороже.
При выборе оптимального варианта были определены стоимости молниезащит обоих способов и ущербы, которые возникают при поражении подстанций молнией. На основании проведенных сравнений было установлено, что в большинстве случаев предпочтительнее первый способ защиты, а второй способ следует применять лишь тогда, когда первый не обеспечивает необходимую грозоупорность.
В ПУЭ [1] приведены условия установки молниеотводов на конструкциях. Основные положения этих условий следующие. Защиту от прямых ударов молнии ОРУ 220 кВ и выше необходимо выполнять молниеотводами, устанавливаемыми на конструкциях. Защиту ОРУ 110 кВ можно выполнять на конструкциях при эквивалентном удельном сопротивлении грунта в грозовой сезон 
м, а защиту ОРУ 35 кВ – при×Ом 
м. Молниеотводы можно устанавливать на следующих конструкциях: порталах, опорах линий, прожекторных мачтах, закрытых распределительных устройствах (ЗРУ).×Ом
7. При каких условиях допускается установка молнии отводов на трансформаторных порталах?
Защиту подстанций от прямых ударов молнии обычно выполняют молниеотводами, устанавливаемыми на конструкциях: порталах, ЗРУ и др. Из всех конструкций самое слабое место на подстанции - это трансформаторный портал. При ударе молнии в этот портал возможен пробой изоляции между корпусом трансформатора и низковольтной обмоткой. Поэтому на трансформаторном портале рекомендуется устанавливать молниеотводы только в том случае, когда нет других конструкций (например, ЗРУ).
При этом на трансформаторных порталах допускается установка молниеотводов при соблюдении условий установки молниеотводов на конструкциях и выполнении следующих дополнительных условий [1, с.57].
м.×1. Удельное сопротивление грунта в грозовой сезон должно быть не более 350 Ом
2. Место присоединения конструкции с молниеотводом к заземляющему устройству должно быть удалено по магистралям заземления от места присоединения к нему бака трансформатора на расстояние не менее 15 м (рис.7.1).
Рис. 7.1. Установка молниеотводов на трансформаторном портале
3. Непосредственно на выводах обмоток 3 – 35 кВ трансформаторов или на расстоянии не более 5 м от них по ошиновке, включая ответвления к разрядникам, должны быть установлены соответствующие ОПН 3-35 кВ или РВ.
4. Заземляющие проводники РВ или ОПН и силовых трансформаторов рекомендуется присоединять к заземляющему устройству поблизости один от другого.
5. Должно быть обеспечено растекание тока молнии от стойки конструкции с молниеотводом по трем-четырем направлениям с углом не менее 90º между ними (рис.7.2).
6. На каждом направлении, на расстоянии 3-5 м от стойки молниеотвода, должно быть установлено по одному вертикальному электроду длиной 5 м.
Рис.7.2. Снижение импульсного сопротивления молниеотвода
7. На подстанциях с высшим напряжением 35 кВ сопротивление заземляющего контура не должно превышать 4 Ом, о гирлянды изоляторов на порталах ОРУ 35 кВ следует выполнять на класс напряжения 110 кВ.
8. Что такое подход к подстанции, зачем он нужен, как выбрать его длину?
При пробегании грозовой волны по ЛЭП под действием короны происходит деформация волны. Скорость волны υ 
, где 
- удельная индуктивность ЛЭП; 
- удельная паразитная емкость ЛЭП;
. Чем большее расстояние пробегает волна, тем сильнее у нее заваливается фронт и уменьшается амплитуда. Длина подхода выбирается так, чтобы волна при ударе молнии за подходом, пробежав подход, стала безопасной для подстанции. Длина подхода зависит от класса напряжения, типа опор и составляет 1 – 4 км. Она указана в ПУЭ. Подход к подстанции (рис. 8.1) длиной 1-4 км (если в данной местности число грозовых часов более 20 [1]) должен быть обязательно защищен тросом, даже для ЛЭП на деревянных опорах, где трос не нужен. Подход к подстанции должен быть защищен также тщательно, как и сама подстанция, чтобы исключить на нем прорыв, минуя трос и перекрытие гирлянд.
Рис. 8.1. Подход к подстанции для ЛЭП на деревянных и металлических опорах
Это достигается следующими мерами [1]:
10 Ом ;£а) уменьшением сопротивления опор подхода R
б) уменьшением защитного угла троса
- ;°20 - 30£aдля одностоечных опор
- ;°25 - 30£aдля портальных опор
в) установкой трубчатых разрядников
- для ЛЭП на металлических и железобетонных опорах на первой опоре (РТ1);
- для ЛЭП на деревянных опорах на первой и последней (РТ2) опорах с тросом.
9. Три методики расчёта зон защиты молниеотводов
В настоящее время существуют три основные методики определения зон защиты стержневых молниеотводов.
Первая методикабыла предложена в ВЭИ на основе обширных лабораторных исследований, проведенных в 1936-1940 гг. А.А. Акопяном. По этой методике зона защиты одиночного молниеотвода представляет собой «шатер» (рис. 9.1). Объекты, находящиеся на границе этой зоны (hx), защищены с вероятностью Р≈0,999. Эта методика вошла в «Руководящие указания по расчету зон защиты стержневых и тросовых молниеотводов» [9].
Рис. 9.1. Зона защиты одиночного молниеотвода по методике А.А. Акопяна
Затем была предложена упрощенная (вторая) методикарасчета зоны защиты одиночного молниеотвода, в которой шатер заменен отрезками двух прямых (рис.9.2). Все расчетные формулы у этой методики такие же, как и у первой, поэтому и высота молниеотводов получается точно такой же. Вероятность защиты по этой методике снижена до Р≈0,99. Эта методика использовалась в старом издании “Инструкции по устройству молниезащиты зданий и сооружений”. В настоящее время Электротехнический справочник 2002 года [8] рекомендует ее для расчета молниезащиты подстанций и ЛЭП вместо методики А.А. Акопяна.
Рис. 9.2. Упрощенная методика построения зоны защиты одиночного молниеотвода
Расчетные формулы этих методик были получены на моделях. Наблюдение на реальных молниеотводах показало, что молния не всегда бьет в вершину молниеотвода. Поэтому появилась третья методика, в которой вершина молниеотвода не защищена, а зона защиты одиночного молниеотвода представляет собой круговой конус высотойh0<h(рис. 9.3).
Рис. 9.3. Зона защиты одиночного молниеотвода по третьей методике
Эта методика впервые была применена в новом издании “Инструкции по устройству молниезащиты зданий и сооружений” 1989 г [11]. Надежность защиты по этой методике зависит от категории молниезащиты зданий и сооружений в зависимости от наличия взрывоопасных и пожароопасных зон. Все здания и сооружения разбиты на I-IIIкатегории и защищаются зоной А (с надежностью 99,5%) или зоной Б (с надежностью 95%). Инструкция не распространялась на расчет молниезащиты станций и подстанций, поэтому было рекомендовано защищать их по прежнему по первой методике [8]. Эту методику ПУЭ (6 издание) рекомендовало использовать лишь при защите зданий маслохозяйства, резервуаров с горючими жидкостями или газами и т.д., находящимися на территории подстанции.
Затем “Руководство по защите электрических сетей 6-1150кВ от грозовых и внутренних перенапряжений. СПб, 1999” [2] распространило эту методику и на расчет подстанций (до 750 кВ - зона А, а 750 кВ и выше – зона Б).
В дальнейшем методика была усовершенствована в соответствии с рекомендациями МЭК и используется в последнем издании “Инструкции по устройству молниезащиты зданий и сооружений” [10]. Теперь надежность защиты по этой методике изменяется от 0,8 до 0,999 в зависимости от ущерба. Третья методика неудобна для расчетов, так как она позволяет определять высоты только 2 молниеотводов, а первая и вторая – трех или четырех сразу.