.

Определим сопротивление горизонтальных заземлителей, (соединительной полосы контура). Для этого необходимо знать общую длину горизонтальных заземлителей. Для этого вычертим схему расположении ЗУ на территории подстанции (ДП 14020565.022.004).

Горизонтальные заземлители расположены на расстоянии 1 м от здания ЗРУ-35/10 кВ. Черными кругами показано расположение вертикальных заземлителей. Пунктирной линией показаны горизонтальные заземлители, общая длина которых составляет 152 м. Горизонтальные заземлители выполняем стальной полосой размером 40х4 мм.

По выражению Ж.1 определим расчетное удельное сопротивление грунта для горизонтальных заземлителей.

,

Тогда

,

С учетом коэффициента использования определяем сопротивление сложного горизонтального заземлителя. Коэффициент использования горизонтальных заземлителей з_Г = 0,45. Тогда

,

Определяем необходимое общее сопротивление вертикальных заземлителей с учетом использования соединительной полосы

,

Определяем уточненное количество вертикальных заземлителей

.

Поскольку уточненное количество вертикальных заземлителей меньше первоначального, тогда схема заземляющего устройства будет выглядеть следующим образом (ДП 14020565.022.005)

Соединение вертикальных и горизонтальных заземлителей выполняем при помощи сварки. Соединение внутреннего контура заземления с контуром заземления подстанции выполняем болтовым.



5.2 Определение зоны защиты молниеотводов

Согласно[3, 12], одним из важных условий бесперебойной работы подстанций является обеспечение надежной грозозащиты зданий, сооружений и электрооборудования. Защита подстанций от прямых ударов молнии осуществляется стержневыми и тросовыми молниеотводами.

Открытые подстанции и ОРУ напряжением 20-500 кВ должны быть защищены от прямых ударов молнии. Выполнение защиты от прямых ударов молнии не требуется: для подстанций напряжением 20 и 35 кВ с трансформаторами единичной мощностью 1600 кВА и менее - независимо от числа грозовых часов в году; для всех ОРУ и подстанций напряжением 20 и 35 кВ в районах с числом грозовых часов в году не более 20.

Здания ЗРУ и закрытых подстанций следует защищать от прямых ударов молнии в районах с числом грозовых часов в году более 20. Защиту зданий ЗРУ и закрытых подстанций, имеющих металлические покрытия кровли или железобетонные несущие конструкции кровли, следует выполнять заземлением этих покрытий (конструкций). Для защиты зданий ЗРУ и закрытых подстанций, крыша которых не имеет металлических покрытий либо железобетонных несущих конструкций или не может быть заземлена, следует устанавливать стержневые молниеотводы или молниеприемные сетки непосредственно на крыше зданий.

От стоек конструкции ОРУ с молниеотводами должно быть обеспечено растекание тока молнии по магистралям заземления не менее чем в трех-четырех направлениях для ОРУ-35 кВ. Кроме того, должно быть установлено соответственно два-три или один-два вертикальных электрода длиной 3-5 м на расстоянии не меньшем длины электрода от стойки с молниеотводом.

Большую опасность для изоляции трансформаторов представляет установка молниеотводов на трансформаторных порталах, т.к. при поражении молнией молниеотвода, находящегося вблизи трансформатора, кожух трансформатора приобретает потенциал молниеотвода, который может привести к обратному перекрытию изоляции трансформатора [8]. Допускается устанавливать молниеотводы на трансформаторных порталах и конструкциях ОРУ, удаленных от порталов трансформаторов на расстояние менее 15 метров, если удельное сопротивление грунта на площадке подстанции в грозовой сезон не превышает 350 Ом·м.

Защиту от прямых ударов молнии ОРУ, на конструкциях которых установка молниеотводов не допускается или нецелесообразна по конструктивным соображениям, следует выполнять отдельно стоящими молниеотводами, имеющими обособленные заземлители с сопротивлением не более 80 Ом.

Поскольку на подстанции вне здания подстанции находятся оба понизительных трансформатора и их выводы, то необходимо защитить их от прямых ударов молнии. Однако, как говорилось выше, установка молниеотводов вблизи трансформаторов опасна. Рассмотрим вариант молниезащиты подстанции при помощи концевых опор ЛЭП-35 кВ.

Зона защиты многократного стержневого молниеотвода определяется как зона защиты попарно взятых соседних стержневых молниеотводов.

Методику расчета молниезащиты подстанции принимаем из [12]. Зона защиты двойного стержневого молниеотвода высотой до 150 метров показана на рисунке 5.1.



L - расстояние между молниеотводами, м;

h - высота молниеотводов, м;

h_о - высота вершины защитного конуса, м;

h_x - высота защищаемого оборудования, м;

h_c - минимальная высота зоны защиты между молниеотводами, м;

r_o - радиус защиты молниеотводов на уровне земли, м;

r_x - радиус защиты молниеотводов на высоте защищаемого оборудования, м;

r_cx - половина ширины зоны защиты между молниеотводами на высоте защищаемого оборудования, м.

Рисунок 5.1 - Зона защиты двойного стержневого молниеотвода

Торцовые области зоны защиты определяются как зоны одиночных стержневых молниеотводов по формулам, м

h₀ = 0,85 h , (5.8)



где h₀ - высота молниеотвода, м; h - высота вершины защитного контура, м

r₀ = 1,5 h , (5.9)

где r₀ - радиус защиты молниеотвода на уровне земли, м

, (5.10)

где r_x - радиус защиты молниеотвода на высоте защищаемого оборудования, м;

h_x - высота защищаемого оборудования, м.

Остальные размеры зоны защиты находятся по следующим формулам:

при L h

h_c = h_o м, (5.11)

r_cx = r_x м, (5.12)

при L > h

h_c = h_o , (5.13)

, (5.14)

Основным условием защищенности площади подстанции является выполнение для всех попарно взятых молниеотводов следующего условия

r_cx > 0 , (5.15)

Произведем расчет зоны защиты молниеотводов в виде опор. Высота защищаемого оборудования равна - 9,15 м. Высота металлических анкерных опор равна 31 м. Расстояние между молниеотводами равно 12 м. Расчет выполняется по формулам (5.85.15):

Высота вершины защитного конуса равна

h_o = 0,8527 = 22,95 м.

Радиус зоны защиты молниеотводов на уровне земли равен

r_o = 1,527 = 40,5 м.

Радиус зоны защиты молниеотводов на высоте защищаемого оборудования равен, м

.

Поскольку L h то минимальная высота зоны защиты между молниеотводами равна

h_с =22,95 м.

Минимальный радиус зоны защиты посередине между молниеотводами равен

r_cx = 25,58 м.

На рисунке 5.2 изображены зоны защиты молниеотводов 1 и 2 на уровне 9,15 м. Как видно из представленного рисунка все оборудование на подстанции будет защищено от прямых ударов молнии, за исключением левой части здания ЗРУ-35/10 кВ. Для защиты этой части здания, как говорилось выше будут применены молниеприемную сетку на крыше здания и соединяем ее с заземляющим устройством при помощи спуска из полосовой стали размерами 40х4 мм.



Рисунок 5.2 - Зоны защиты молниеотводов 1 и 2 на уровне оборудования

Соответственно можно сделать вывод, что все объекты на территории подстанции будут защищены от прямых ударов молнии.



6. РАСЧЕТ ЗАЗЕМЛЯЮЩЕГО УСТРОЙСТВА ПОНИЗИТЕЛЬНОЙ ПОДСТАНЦИИ

6.1 Анализ влияния состояния заземляющих устройств на электромагнитную обстановку

Основное количество электроустановок страны построено в прошлом веке, когда широко использовалось достаточно надежное электромеханическое оборудование. Как показала многолетняя эксплуатация, это оборудование менее чувствительно к электромагнитным помехам (ЭМП). В настоящее время в системы электроснабжения активно внедряются программно-технические комплексы - АСУ ТП, в том числе АИИС КУЭ и устройства защиты на основе микропроцессоров. Указанные системы могут надежно функционировать только в благоприятной электромагнитной обстановке (ЭМО), то есть должна быть обеспечена электромагнитная совместимость (ЭМС).

Электрическое устройство считается электромагнитно совместимым, если его показатели качества электрической энергии не снижаются из-за влияния других устройств [8]. Проблема электромагнитной совместимости возникает в связи с тем, что каждое звено находится в электрической или электромагнитной связи с другими звеньями электроэнергетической системы. Эта связь может иметь место в виде непосредственного электрического соединения или через электромагнитное поле. Обязательным условием использования любой цифровой техники является её сертификация по электромагнитной совместимости и электробезопасности согласно действующий стандартам (ГОСТ Р 50839-95; ГОСТ Р 50628-93 и ГОСТ Р 50377-92).

Знание электромагнитной обстановки необходимо, чтобы сформулировать технические требования к цифровым устройствам. В то же время к определению электромагнитной обстановки можно приступать лишь после обследования технического состояния и приведения в соответствие с техническими требованиями устройств заземления цифрового оборудования как важнейшего фактора электромагнитной обстановки [9].

Имеющийся опыт обследования ЭМО показывает, что очень часто она оказывается неблагоприятной. Действительно, большинство объектов проектировалось еще до появления отечественных нормативных документов в области ЭМС. Такие факторы как коррозия заземляющих устройств (ЗУ), повреждения заземлителей в процессе эксплуатации, внесение недокументированных модификаций в схемы питания, прокладка заземления также не способствуют улучшению ЭМС.

В связи с реконструкцией промышленных объектов и связанных с ней внедрением электронной (цифровой) аппаратуры, к заземляющим устройствам предъявляются новые требования [9]. Это обусловлено тем, что современная цифровая аппаратура чувствительна к условиям электромагнитной обстановки.

Особую тревогу вызывает ЭМО на объектах электроэнергетики, транспорте, в энергоемких производствах и на других объектах, где выполняющая важные функции цифровая аппаратура оказывается размещённой рядом с мощными источниками электромагнитных помех.

Выявлены опасные влияния на цифровую технику более чем на 80% электроустановок электрифицированных железных дорогах (Транссибирская магистраль). Большинство проблем связано с неудовлетворительным состоянием молниезащиты (40% объектов), потенциалами на элементах ЗУ при коротких замыканиях в высоковольтной сети (30%), неудовлетворительным состоянием связей между элементами ЗУ (30% объектов) [9]. Следовательно, основные причины неблагоприятного воздействия на цифровое оборудование связаны непосредственно с состоянием заземляющего устройства.

Основное внимание акцентируется на проблеме влиянии разностей потенциалов, характеристиках заземлений на высоких частотах, импульсных помехах. Отмечается, что перепад потенциалов между различными точками заземляющих устройств, например, для подстанций 500 кВ при пересчёте на реальные токи к.з. может достигнуть 5 кВ. Этот потенциал может быть приложен к изоляции информационных цепей и входам цифровой аппаратуры.

Кроме того, при протекании тока молнии по заземляющим проводникам, происходит генерация магнитного поля напряженностью, превышающей 1 кА/м внутри помещений. Такой уровень опасен как для аппаратуры, так и для цепей обмена информацией, в которых могут создаваться наводки, существенно превышающие уровни устойчивости аппаратуры, непосредственно подключаемой к рассматриваемым цепям.

Аналогичная ситуация может иметь место, разумеется, не только при молниевом разряде. На многих высоковольтных подстанциях конструкция заземляющего устройства такова, что протекание значительной части тока к.з. в сети 110 кВ и выше (с заземленной нейтралью) происходит через здание, в котором размешается аппаратура управлении и защиты. Это может приводить к нежелательному влиянию поля на размещенную там аппаратуру.

Анализ причин возмещений и рекомендуемых мер защиты показал, что для повышения надёжности работы цифровой техники необходимо одноточечное заземление оборудования («спецзаземление»).

Главное требование к «спецзаземлению» заключается в выравнивании потенциалов на шинах всех опорных узлов заземления с присоединенной к ним цифровой аппаратурой.

Наибольшую опасность представляет коррозия ЗУ, протекающая под действием блуждающих постоянных токов, основным источником которых является электрифицированный железнодорожный транспорт.

Кроме того, токи молнии, токи короткого замыкания и коммутация мощных нагрузок, перенапряжения, токи электросварки и др. в прокорродированных элементах заземляющего устройства создают разности потенциалов в различных точках ЗУ и в системе «спецзаземления» при наличии параллельных цепей заземления (рисунок 6.1). Неисправности «спецзаземления» нередко закладываются на этапе его проектирования [8]. При этом не учитываются особенности и подробности заземления кабелей сопряженных со «спецзаземлителем».

Рисунок 6.1 - Пример организации «спецзаземления» АСУ ТП

Сложность в ликвидации параллельных цепей заземления заключается в том, что электромагнитные процессы протекают в объеме единой пространственной конструкции. В ней основную роль играют неконтролируемые естественные заземлители (металлоконструкции, технологические трубы, вентиляции и др.), проводимость которых значительно больше, чем искусственных заземлителей.

Следует также отметить влияние неэквипотенциальности ЗУ на работу цифровой техники. При неэквипотенциальном ЗУ потенциалы шин различных опорных узлов заземления, соединенные с общим ЗУ в разных точках, будут существенно отличаться.

Существенные разности потенциалов между различными точками (например, корпусами соседних компьютеров) опасны для аппаратуры, поскольку приложены к входам цепей, соединяющих это оборудование.

Таким образом, большинство находящихся в эксплуатации объектов спроектировано по устаревшим нормам и не соответствует современным требованиям. Поэтому перед реконструкцией необходимо проводить их обследование.

Обеспечение ЭМС современной аппаратуры приводит к необходимости предъявления специфических требований к заземляющим устройствам. В первую очередь, речь идет об обеспечении высокой степени электрической целостности ЗУ объекта.

6.2 Современные методы оценки состояния заземляющих устройств

В наши дни с развитием приборного парка и появлением современных цифровых устройств диагностики трудами ученых, исследователей и практиков сформулировано и решено большинство задач, связанных с диагностикой состояния, и электромагнитной совместимости устройств заземления.

Применяемые на практике экспериментальные методы диагностики позволяют:

- определять реальную трассу прокладки и глубину залегания искусственных и естественных заземлителей;

- измерять импульсные сопротивления систем заземления оборудования и молниезащиты на подстанциях;

- оценивать электромагнитную обстановку на объектах;

- определять места выноса высокого потенциала за территорию подстанции;

- измерять сопротивления заземляющего устройства опорных линий ЛЭП без отсоединения грозозащитного троса;

- определять состояние внутреннего контура заземления;

- определять наличие вертикальных элементов контура заземления;

- определять контакт между вертикальным элементом и сеткой контура заземления.

Разработан комплекс программ для анализа и проектирования устройств заземления и молниезащиты с учетом требований электромагнитной совместимости [2]:

- «Сток». Программа предназначена для моделирования ЗУ любой сложности, включающих систему шин в воздухе, сеть проводников в грунте и объёмные заглублённые тела.

- «INTERFERENCES». Программа предназначена для моделирования импульсных электромагнитных помех и перенапряжений в разветвлённых кабельных линиях.

- «Прогноз». Программа предназначена для моделирования протекания токов.

- «Protection zones». Программа моделирует защитные зоны стержневых, тросовых, сеточных молниеотводов, а также металлических крыш.

Существует широкий спектр устройств диагностики ЗУ, включающий в себя измерителя сопротивления заземлителей (MRU120, MRU200, Ф4103М1); измерительные комплексы КДЗ1; НК1;НКП1; НК2, предназначенные для диагностики ЗК, измерения импульсного сопротивления молниеотводов и опор, для имитации ударов молнии; трассоискатели; измерители напряжения прикосновения и тока КЗ; индукционные датчики.

В новой редакции [2] сохранен двойственный подход к проектированию ЗУ - по норме на сопротивление ЗУ (при соблюдении требований к сотке ЗУ и максимального напряжения на ЗУ) и по напряжению прикосновения. В соответствие с пунктом 1.7.90 сопротивление ЗУ в любое время года не должно превышать 0,5 Ом.

Контроль за выполнением этого пункта на практике приводят путем измерения, преимущественно в летнее время, в соответствие с отраслевыми правилами. Измерение производят с помощью измерителей сопротивления. Существует большое множество данных приборов, производимых как в нашей стране, так и за рубежом, а потому предлагается рассмотреть лишь прибор для измерения, а именно Ф4103 с разработкой методики измерение сопротивления заземляющих устройств.

Данная методика предназначена для производства измерений сопротивлений заземляющих устройств, с целью оценки качества заземляющих устройств сравнением измеренных величин сопротивлений с нормами по пункту 1.8.365 [2] и пункту 24.3 ПЭЭП. По данной методике выполняются также измерения сопротивлений заземляющих устройств молниезащиты. Методика распространяется и на измерения удельного сопротивления грунта, которое по пункту 1.7.37. ПУЭ следует определять в качестве расчетного значения, соответствующего сезону года, когда сопротивление заземляющего устройства принимает наибольшее значения.

Методы измерений измерителем сопротивления заземления Ф4103-М1.

Принцип действия прибора основан на измерении падения напряжения, создаваемого калибровочным током на испытуемом участке цепи заземления.

Измерительный ток создается источником тока частотой 265310 Гц с.

Согласно методике проведения измерений, измерительные электроды необходимо размещать по однолучевой или двухлучевой схеме.



Рисунок 6.2 Схема измерение сопротивления заземляющих устройств

Токовый электрод (R_Т2) установливается на расстоянии L_эт = 2Д (предпочтительно L_эт = ЗД) от края испытуемого устройства (Д наибольшая диагональ заземляющего устройства), а потенциальный электрод (R_П2) поочередно на расстояниях (0,2; 0,3; 0,4; 0,5; 0,6; 0,7; 0,8) L_эт .

Измерения сопротивления заземляющих устройств необходимо проводить при установке потенциального электрода в каждой из указанных точек. По данным измерений строиться кривая «б» зависимости сопротивления ЗУ от расстояния потенциального электрода до заземляющего устройства. Пример такого построения приводится на рисунке 6.3.



Рисунок 6.3 Зависимость сопротивления ЗУ от расстояния потенциального электрода до заземляющего устройства

Полученную кривую «б» необходимо сравнить с кривой «а», если кривая «б» не имеет монотонный характер (такой же, как у кривой «а») и значения сопротивлений ЗУ, измеренные при положениях потенциального электрода на расстояниях 0,4L_эт и 0,6 L_эт, отличаются не более, чем на 10%, то места забивки электродов выбраны правильно и за сопротивление ЗУ принимается значение, полученное при расположении потенциального электрода на расстоянии 0,5 L_эт.

Если кривая "б" отличается от кривой «а» (не имеет монотонного характера, как показано на рисунке 5.6 , что может быть следствием влияния подземных или наземных металлоконструкций, то измерения повторить при расположении токового электрода в другом направлении от заземляющего устройства.

Если значения сопротивления ЗУ, измеренные при положениях потенциального электрода на расстоянии 0,4 L_эт и 0,6 L_эт, отличаются более, чем на 10%, то повторить измерения сопротивления ЗУ при увеличенном в 1,52 раза расстоянии от ЗУ до токового электрода.

Методика произведения измерения сопротивления представлена в приложении З.

6.3 Расчёт токораспределения по элементам сетки сложного заземляющего устройства

Сетка заземляющего устройства представляет собой сложную систему параллельно соединенных ветвей горизонтальных элементов (полос), и присоединенных к ним в узлах вертикальных элементов (заземлителей).

Для оценки токораспределения по отдельным элементам заземляющей сетки электроустановки в нормальных режимах и при возникновении ненормальных режимов ее работы и определения напряжения заземляющего устройства в различных точках по степени удаленности от места ввода тока и напряжения до прикосновения в узлах ячеек сетки, для оценки электробезопасности на поверхности земли введем ряд допущений:

- неоднородная структура многослойной земли заменяется ее двухслойным эквивалентом, так как использование большего количества слоев земли при расчетах значительно увеличивает их сложность при незначительном повышении точности результатов [12];

- горизонтальные элементы сетки заземляющего устройства расположены в одном слое с₁, вертикальные заземлители пересекают области обоих слоев - с₁ и с₂;

- на первом этапе исследования элементы сложного заземлителя представлены как линии с сосредоточенными параметрами ввиду их незначительной длины [14].

Место ввода тока короткого замыкания выбирается исходя из наиболее тяжелых условий электробезопасности. Поэтому местом ввода тока к.з. обозначена крайняя ячейка. Именно в этом месте будут наблюдаться максимальные значения напряжения на контуре заземляющего устройства, а значит, и величины напряжения прикосновения и шага на поверхности земли. При выборе места ввода тока между ячейками, например в средней части сетки, путь стекания тока к.з. будет определяться параллельно подключенными горизонтальными и вертикальными соседними элементами сетки. Это уменьшит суммарное сопротивление растеканию в точке к.з, а значит, и указанные выше напряжения.

Для анализа протекающих в сетке процессов и разработки методики, описывающей эти процессы, достаточно рассмотреть фрагмент сетки заземляющего устройства. В качестве фрагмента примем участок заземляющей сетки в виде шести связанных ячеек (рис. 2 лист 7), схема замещения фрагмента сетки изображена на рис. 3 листа 7.

На схеме сопротивления растеканию отдельных горизонтальных и вертикальных элементов сетки заземляющего устройства учитывают принятую двухслойную модель земли и рассредоточенность собственных параметров по длине элемента.

Для определения численной картины распределения токов и потенциалов по элементам заземляющей сетки определим следующие исходные данные:

- длина горизонтальных элементов сетки (l_гор) - (5...40) м.;

- длина вертикальных элементов сетки (l_вер) - (3,5...5) м.;

- сопротивление верхнего слоя земли с учетом сезонного изменения сопротивления грунта с₁ - 130 Ом•м;

- сопротивление нижнего слоя земли с учетом сезонного изменения сопротивления грунта с₂- 30 Ом•м;

- толщина (мощность) верхнего слоя h₁ - 2 м;

- толщина (мощность) нижнего слоя h₂ - ?;

- ширина стороны горизонтального элемента b₁ ? 0,04 м;

- ширина стороны уголка вертикального элемента b₂ ? 0,02 м;

- ток короткого замыкания, втекающий в сетку I_кз ? 250 А.

Для построения математической модели фрагмента сетки заземляющего устройства необходимо определить параметры входящих в эти модели элементов - сопротивления растеканию, которые будут иметь отдельные элементы сетки заземляющего устройства в момент возникновения аварийного режима.

При определении сопротивления растеканию горизонтального заземлителя сетки заземляющего устройства, необходимо определить эквивалентное удельное сопротивление земли для горизонтальных заземлителей. Значение с_э.г. определяем методом линейной интерполяции по номограмме рис. 4.16 [16].

Определим отношение с₁/ с₂

.

Максимальный эквивалентный радиус заземлителя определим как половина его максимального размера: , где d- длина горизонтального заземлителя в метрах.

Относительное значение размера определяется

.

Тогда по номограмме определим k = 0,75.

Откуда имеем .

Диаметр горизонтального заземлителя

Сопротивление растеканию горизонтального заземлителя определяется по формуле [6.1]

, (6.1)

где t ? глубина залегания проводника заземлителя.

.

Эквивалентное удельное сопротивление земли для вертикальных заземлителей

Диаметр вертикального заземлителя

Сопротивление растеканию вертикального заземлителя определяется по формуле [6.1]

.(6.2)

Ом.

Применим для расчета токораспределения по элементам сетки сложного заземляющего устройства теорию направленных графов и матричной алгебры [15], расчет представлен в ПРИЛОЖЕНИИ З.

Определив токораспределение и распределение потенциалов непосредственно по сетке заземляющего устройства, найдем напряжение прикосновения в характерных точках над заземляющим устройством. Именно этот критерий и является основным при нормировании и оценке состояния заземляющего устройства.

Для сложных заземлителей из горизонтальных и вертикальных электродов напряжение прикосновения определяется

(6.3)

где U_з ? напряжение в данной точке заземляющего устройства; б₁ - коэффициент напряжения прикосновения, учитывающий форму потенциальной кривой; б₂ - коэффициент напряжения прикосновения, учитывающий падение напряжения в сопротивлении растеканию основания, на котором стоит человек.

Для расчета коэффициента б₁ необходимо определить значение параметра М, определяемого отношением с₁/с₂. Из [16] определяем, что при с₁/с₂=4,333, параметр М = 0,408. Тогда, имеем

Значение коэффициента б₂ определяется

В соответствии с (6.3) и рассчитанными выше значениями коэффициентов максимальная величина напряжения прикосновения (в месте ввода тока)

В.

По результатам расчета распределения токов по элементам и напряжений в узлах фрагмента ячейки можно сделать вывод, что максимальное значение напряжения в узле и соответственно напряжение прикосновения будет наблюдаться в месте ввода тока в ячейку заземляющего устройства. При этом самыми опасными с точки зрения электробезопасности будут места прикосновения над крайними ячейками контура заземляющего устройства, так как путь растекания тока ограничивается меньшим количеством окружающих место ввода тока ячеек, чем при условии ввода тока в центр контура заземляющего устройства. При этом основная часть тока будет стекать с ближайших к месту ввода тока вертикальных электродов (в данном случае большая часть вводимого в сетку тока стекает с вертикального заземлителя № 3



7. ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ МОДЕРНИЗАЦИИ КРУ НА ПОНИЗИТЕЛЬНОЙ ПОДСТАНЦИИ

7.1 Расчет капитальных вложений, необходимых для модернизации КРУ

В рамках модернизации понизительной подстанции 35/10 кВ согласно электротехническим решениям производится модернизация ячеек КРУ - 10 с установкой вакуумных выключателей марки BB/TEL-10-20/630 УХЛ2 в количестве 7 шт.

Капитальные вложения-это инвестиции, направленные на постройку или приобретение объектов, они могут быть использованы на создание новых объектов основных фондов или на реконструкцию действующих объектов. Капитальные вложения, иначе именуются вложениями вовне обратимые активы.

Рассчитаем капитальные вложения для установки вакуумных выключателей

, (7.1)

где - количество выключателей, подлежащих монтажу (демонтажу), шт; - стоимость одного выключателя согласно прайс-листу ТАВРИДА ЭЛЕКТРИК, тыс. руб;

от , от

принимаем равной нулю, так как превышен срок нормативной службы старого оборудования. Выключатели эксплуатируются на подстанции с 1983 года.

тыс. руб.

7.2 Расчёт эксплуатационных расходов на содержание и обслуживание подстанции

На текущий момент численность персонала подстанции составляет 8 человек. В результате реконструкции надежность работы энергетических устройств и установок повысится, а трудоемкость работ по их ремонту и обслуживанию снизится. Списочный контингент работников уменьшится на 1 электромонтера 6 разряда.

Учитывая это определим расходы на содержание и обслуживание подстанции в случае установки нового оборудования и при старом оборудовании.

7.2.1 Расчёт для нового оборудования (выключатели BB/TEL - 10 - 20/630 УХЛ2)

Годовые текущие расходы на содержание и обслуживание новых выключателей определяются по формуле, тыс. руб

(7.2)

где - текущие расходы на содержание и обслуживание новых выключателей (материалы, запасные части, оплата труда);

- амортизационные отчисления.

Амортизационные отчисления - это денежные средства, направляемые на ремонт (строительство), изготовление новых основных средств. Сумма амортизационных отчислений включается в издержки производства (себестоимость) продукций и тем самым переходит в цену. Производитель обязан производить накопления амортизационных отчислений, откладывая их из выручки за проданную продукцию.

Принимаем срок службы новых выключателей 50 лет, тогда

(7.3)

где К_об - суммарная стоимость нового оборудования, тыс. руб.

Годовые эксплуатационные расходы С_э, руб, определяют по формуле

(7.4)

где С_рем - стоимость годового обслуживания и ремонта оборудования, руб; С_ст.год - годовое вознаграждение всем электромонтерам 6 разряда на подстанции по тарифной ставке (должностному окладу) без учета, премии, доплат и надбавок и страхового фонда определяется, руб, по формуле

(7.5)

где - число электромонтеров 6 разряда работающих на подстанции, чел; - месячная ставка по тарифу, руб; 12 - число месяцев в году.

Таким образом, по формуле (7.5) получаем

руб.

Вакуумные выключатели являются необслуживаемыми, поэтому в формуле (7.4).

По формулам (7.2 - 7.4) получаем

тыс. руб.,

тыс. руб.,

тыс. руб.

7.2.2 Расчёт для старого оборудования

Методика расчета эксплуатационных расходов на содержание и обслуживание подстанции при старом оборудовании на понизительной подстанции аналогична методике расчета расходов при установке новых выключателей. В данном случае будут отличаться: количеством электромонтеров 6 разряда (при установке вакуумных выключателей их численность сокращается до 1 человека на подстанцию), наличием статьи расхода на ремонт выключателей () и отсутствием амортизационных отчислений.

Таким образом, годовые эксплуатационные расходы на содержание и обслуживание подстанции при старом оборудовании, тыс. руб:

(7.6)

где С_доп - дополнительные годовые затраты на обслуживание старых выключателей; - стоимость обслуживания ПС при старом оборудовании.

Среднегодовые расходы на текущие и капитальные ремонты старых выключателей по укрупненному методу расчета

(7.7)

где - норматив расходов на ремонт старых выключателей, Н_рем = 30%

Стоимость масляных выключателей составляет 125 тыс. руб.

тыс. руб.

Дополнительные расходы на обслуживание старых выключателей С_доп включают в себя замену масла

(7.8)

где V_м - среднегодовой объем заменяемого масла, т; t_зам - периодичность замены масла в масляном выключателе, лет (мес.); Ц_м - цена масла [17], р./т.

Таким образом, по формуле (7.8)

тыс. руб.,

По формуле (7.5)

тыс. руб.,

По формуле (7.4)

тыс. руб.,

Тогда по формуле (7.6)

тыс. руб.

7.3 Расчет срока окупаемости инвестиций на замену оборудования

Весь объем инвестиций в замену выключателей выполняется за один год, поэтому мы можем определить простой срок окупаемости. Срок окупаемости - период времени, необходимый для того, чтобы доходы генерируемые инвестициями, покрыли затраты на инвестиции. Однако у срока окупаемости есть недостаток. Заключается он в том, что этот показатель игнорирует все поступления денежных средств после момента полного возмещения первоначальных расходов. Экономический эффект заключается в уменьшении затрат на обслуживание и ремонт при замене старых выключателей новыми и более современными. Срок окупаемости затрат, вызванных установкой новых вакуумных выключателей определяется по формуле

(7.9)

Таким образом, по формуле (7.9)

года.

Из всего этого мы видим, что срок окупаемости модернизации ячеек

КРУ - 10 составит 1,31 года.

В мировой практике принято, что этот срок окупаемости должен быть не более 5 лет, для электронного оборудования или вычислительной техники этот срок уменьшается до 3-4 лет. В отечественной экономике для оборудования, имеющего высокую стоимость и большие сроки эксплуатационного использования, что характерно, прежде всего, для электроэнергетики, нормативный коэффициент экономической эффективности новой техники устанавливается на уровне не выше 7-8 лет. Следовательно, модернизация ячеек КРУ - 10 на подстанции 35/10 является экономически эффективной.



8. БЕЗОПАСНОСТЬ ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ. РАСЧЕТ ПРОИЗВОДСТВЕННОГО ОСВЕЩЕНИЯ ПОДСТАНЦИИ

Основным направлением государственной политики в области охраны труда, безопасности жизнедеятельности является сохранение жизни и здоровья работников. Безопасность человека должна быть на первом месте, по сравнению с любыми производственными факторами. Безопасность работника в условиях любого современного производства обеспечивается правовой, социально-экономической, организационно-технической, санитарно-гигиени-ческой, лечебно-профилактической защитой. Работники железнодорожного транспорта подвергаются повышенной опасности механического травматизма, электротравматизма, вредного воздействия шума, вибраций, электромагнитных полей, недостаточной освещенности, негативных микроклиматических факторов, загрязненного атмосферного воздуха и др.

Каждый работающий на железнодорожном транспорте должен быть информирован о существовании нормативно-правовых документов, соответствующих периодически возникающим на производстве ситуациям, иметь достаточно полное представление об их содержании. Регламентирующие документы в России носят строго обязательный характер. В любой деятельности человека, особенно в производственной, не исключается вероятность наступления негативного события: травмы, заболевания, инвалидности, смерти, ущерба здоровью. Работники железнодорожного транспорта должны знать о опасностях на транспорте и вредных факторах, по кругу своих должностных обязанностей, знать причины их возникновения и суть. Предприятия и организации несут большие финансовые затраты и моральные потери при возникновении профессиональных заболеваний, а также в случаях производственного травматизма работников.



8.1 Анализ опасных и вредных производственных факторов

Согласно [2] опасные и вредные производственные факторы подразделяются по природе действия на физические, химические, биологические, психофизиологические. К физическим факторам относятся движущиеся машины и механизмы, повышенные уровни шума и вибраций, электромагнитных и ионизирующих излучений, недостаточность освещения и т.д. В данном разделе рассматривается освещение производственных помещений.

Освещение относится к производственно-экологическому критерию комфортности производственной среды, нормативные требования к которому определяются по [3] в зависимости от характера зрительной работы, системы и вида освещения, фона, контраста объекта с фоном (освещенность для поточных работ 100-300 лк, для высокоточных работ - 1500-5700 лк). При правильном освещении рабочей зоны и производственных помещений повышается работоспособность, качество работы, снижается утомляемость, вероятность ошибочных действий, травматизма. Отклонения в освещении наносят вред здоровью работающих, могут быть причиной заболеваний (близорукость, спазм, аккомодация), расстройств нервной системы, ухудшению координации движения, снижению умственной и физической работоспособности, увеличения числа ошибок в производственных процессах, перенапряжению глаз. Недостаточная освещенность рабочих мест, проходов и проездов, повышенная яркость света и пульсация светового потока, являются вредными производственными факторами.

При освещении производственных помещений используется не только естественное освещение, создаваемое солнечными лучами и рассеянным светом небосвода, но и искусственное, создаваемое электрическими источниками света, а также совмещенное освещение, при котором недостаточное по нормам естественное освещение дополняется искусственным.

Естественное освещение подразделяется: на боковое, верхнее и комбинированное. Искусственное освещение выполняется общим и комбинированным, кроме того по целевому назначению выделяются следующие виды: аварийное, рабочее и специальное (охранное, дежурное, эвакуационное и др.) [15].

8.2 Характеристики производственного освещения подстанции

При организации производственного освещения обеспечивается достаточность и равномерность распределения яркости на рабочей поверхности и окружающих предметах, отсутствие пульсации светового потока и эффекта ослепления. В поле зрения работающего не должно быть резких теней, следует также выбирать необходимый спектральный состав светового потока (длительное воздействие коротких инфракрасных лучей вызывает катаракту глаз). Осветительные установки должны быть удобны и просты в эксплуатации, долговечны, отвечать требованиям эстетики, электробезопасности. В соответствии с требованиями пожарной безопасности во избежание возникновения взрыва или пожара, применяется защитное заземление или зануление, ограничение напряжения питания переносных и местных светильников, защита элементов осветительных сетей от механических повреждений т.п.

Для повышения равномерности естественного освещения на рабочей поверхности и окружающих предметах больших цехов осуществляется комбинированное освещение. Применением светильников со светорассеивающими молочными стеклами при искусственном освещении или использованием солнцезащитных устройств (жалюзи, козырьки и др.) при естественном освещении достигается смягчение в поле зрения работающего резких теней. Блескость ограничивается уменьшением яркости источника света, правильным выбором защитного угла светильника, увеличением высоты подвеса светильников, правильным направлением светового потока на рабочую поверхность, изменением угла наклона рабочей поверхности. Колебания освещенности устраняются стабилизацией напряжения в сети, жестким креплением светильников, применением специальных схем включения газоразрядных ламп. Для создания правильной цветопередачи применяется монохромотический свет, усиливающий одни цвета и ослабляющий другие.

Электрические источники света подразделяются на тепловые (лампы накаливания, галогенные и зеркальные), газоразрядные (ксеноновые лампы), полупроводниковые (светодиодные).

Источники света характеризуются техническими и эксплуатационными параметрами, по которым выбираются наиболее подходящие для каждого конкретного случая использования. К техническим источникам относятся все электрические, световые и механические параметры ламп.

Электрические параметры: номинальное напряжение (U_н,В), номинальная мощность лампы (Р_н, Вт), род питающего тока (для газоразрядных ламп).

Световые параметры:

- номинальный световой поток (Ф, лм) - поток, который создает лампа при ее номинальной мощности;

- для зеркальных ламп указываются осевые силы света, кривые распределения сил света, номограммы освещенности;

- световая отдача - (отношение светового потока лампы к потребляемой ею мощности, т.е коэффициент полезного действия лампы, выраженный в световых величинах (лм/Вт);

- цветовая температура (Т_св, К) - условная величина, характеризующая цвет излучения лампы;

- для газоразрядных источников света приводится общий индекс цветопередачи .

Механические параметры ламп: габаритные и установочные размеры, масса, тип цоколя, положение типа накала или разрядного промежутка относительно цоколя, рабочее положение ламп - строго горизонтальное, вертикальное в пределах некоторого угла.

Эксплуатационные параметры:

- срок службы () полный или физический - это срок службы от начала эксплуатации источника света, до выхода его из строя. Средний срок службы при номинальном напряжении - это время работы большой группы ламп, в течение, которого 50 % от их количества может выйти из строя. Минимальный срок службы - это время работы группы ламп до первого отказа. Гарантированный срок службы - время, в течение которого вероятность отказа ламп не превышает установленного значения;

- устойчивость к внешним климатическим факторам (температура, давление, влажность окружающего воздуха);

- устойчивость к механическим воздействиям (удары, вибрация, линейные ускорения, звук);

- устойчивость к колебаниям напряжения питающей электросети.

Каждый вид источников света обладает как достоинствами, так и недостатками. В настоящее время все большое предпочтение отдается светодиодным источникам света, к достоинствам которых относятся: большой срок службы; высокая надежность; очень высокая устойчивость к внешним воздействующим факторам; малые габариты; высокий коэффициент использования светового потока; легкую управляемость, полную экологическую безопасность из-за отсутствия ртути и стекла; безопасность обслуживающего персонала; широкая световая гамма и разнообразие углов излучения. Недостатками их является: малая единичная мощность (используется большое количество светодиодов для создания необходимого уровня освещенности). При выборе источников света предпочтение следует отдавать лампам с максимальным сроком службы и максимальной световой отдачей, несмотря на то, что за них придется платить дороже - первоначальные затраты многократно окупятся при эксплуатации осветительных установок [1].

Источники искусственного света помещаются в специальную осветительную арматуру (осветительный прибор), которая обеспечивает требуемое направление светового потока на рабочие поверхности, защищает глаза от слепящего воздействия ламп, предохраняет лампы от загрязнения и механических повреждений и изолирует их от неблагоприятных воздействий окружающей среды. Осветительные приборы делятся на три класса: светильники, прожекторы и проекторы. Основной светотехнической характеристикой являются кривые сил света (графическое изображение зависимости силы света прибора от направления распространения света). Осветительные приборы классифицируются: по основному назначению; по способу установки; по степени защиты от пыли и влаги; по электробезопасности; по климатическому исполнению и категории размещения; по устойчивости к внешним механическим воздействиям; по пожаро- и взрывоопасности. Качество осветительных приборов подтверждается их сертификацией на соответствие требованиям российских и международных стандартов.

Для включения всех типов разрядных ламп, галогенных ламп накаливания низкого напряжения и светодиодов необходима специальная аппаратура (для светодиодов - понижающие трансформаторы с выпрямителями выходного напряжения). При любой возможности следует использовать автоматизированные системы управления освещением, позволяющие экономить до 75 % электроэнергии, расходуемой на освещение.

Основной задачей обслуживающего персонала современных открытых распределительных устройств (ОРУ) является периодическое наблюдение за показаниями приборов (указатели уровней масла, термосигнализаторы и другие), положением и исправностью оборудования и его отдельных элементов (например, разъединители, изоляторы). В некоторых случаях персоналом производятся различные операции по отключению или включению коммутационной аппаратуры (особенно разъединителей) непосредственно с территории ОРУ. Выполнение этой работы осложняется наличием высокого напряжения и большими габаритами высоковольтного оборудования (трансформаторы, выключатели, разъединители, разрядники), что предопределяет проведение необходимых наблюдений с большого расстояния. Кроме того, при возникновении аварийной ситуации обслуживающим персоналом ведутся различные ремонтные работы.

Подстанция без постоянного дежурного персонала. Светильники на ОРУ 35/10 кВ в количестве 4 шт., располагаются не равномерно, это вызвано тем, что они установлены на существующих опорах порталов. Для включения освещения, в целях экономии электроэнергии, используются автоматические выключатели АОН, срабатывающие на включение без оперативного персонала при понижении освещенности.

Согласно [3], для обеспечения безопасности выполнения работ на открытых подстанциях осветительная установка должна создавать освещенности не менее, указанных в таблице 8.1.

Таблица 8.1 - Нормы освещенности открытых подстанций

Наименование оборудования и участков	Освещен- ность, лк	Плоскость, в кото- рой нормируется освещенность
Газовое реле, указатели масла, разъемные части разъединителей, указатели продувки воздушных выключателей, КРУНы	30	Вертикальная
Выводы трансформаторов и выключателей, кабельные муфты, разрядники, места управления разъединителями и выключателями, шкаф воздушного выключателя	10	Вертикальная
Электродвигатели	5	Горизонтальная
Проходы между оборудованием	1	Поверхность земли

При проектировании искусственного освещения необходимо выбрать тип источника света, систему освещения, вид светильника, наметить целесообразную высоту установки светильника, определить число светильников и мощность ламп, необходимых для создания нормируемой освещенности на рабочем месте.

Произведем расчет общего равномерного искусственного освещения ОРУ 35/10 кВ, площадью 48 х 44.6 м, методом коэффициента использования светового потока.

Для освещения предварительно выбирается светодиодные светильники СУОС-140 изготавливаемые ЗАО «Транс-Сигнал», применяемый для освещения объектов железнодорожной инфраструктуры [4]. Технические характеристики представлены в таблице 8.2.

Таблица 8.2 - Технические характеристики светильника СУОС-140

Напряжение питания, В	140-240
Частота питающего напряжения, Гц	50-60
Потребляемая мощность, не более, Вт	90
Световой поток, не менее, Лм	7500
Кривая силы света	Л (Г) полуширокая, (глубокая)
Цветовая температура излучения, К	3500-5000
Срок службы светильника. не менее, лет	14
Масса, не более. Кг	9
Климатическое исполнение и категория размещения	У1
Класс защиты светильника от поражения электрическим током	1
Степень защиты светильника от воздействия окружающей среды	IР65

8.3 Расчет искусственного освещения подстанции

Световой поток одной лампы или одного светильника, лм

(8.1)



где - нормируемая минимальная освещенность [3], лк; - площадь освещаемой территории, ; - коэффициент неравномерности освещения; обычно - коэффициент запаса, зависящий от вида технологического процесса и типа применяемых источников света; обычно - число светильников; - коэффициент использования светового потока (для данного светильника 0,55); - индекс площадки освещения, определяемый по формуле

(8.2)

где А и В - длина и ширина освещаемой поверхности, м; Н - высота подвеса светильников, м.

;

лк.

По полученному в результате расчета световому потоку выбирается лампа или светильник.

Преимущества светодиодного светильника по сравнению с светильником на лампах ДРЛ, ДНаТ:

- увеличение срока службы источников света;

- снижение потребления электроэнергии;

- устойчивость к перепадам напряжения;

- отсутствие эксплуатационных расходов за счет исключения работ по обслуживанию светильника;

- исключение случаев отказа светильника, за счет использования нескольких десятков независимо работающих светодиодных источников света вместо одной лампы;

- экологическая безопасность и антивандальное исполнение.

Принятая система освещения из светодиодных светильников СУОС-140 в количестве 4 штук установленных на высоте 6 метров, обеспечит достаточность освещения ОРУ и позволит повысить безопасность обслуживающего персонала (отсутствие вредного воздействия на организм человека и необходимости частого обслуживания светильников). Кроме того, светодиодные светильники экологически безопасны из-за отсутствия ртути и стекла.

8.4 Безопасность при монтаже и эксплуатации электрического освещения

Осветительную арматуру массой до 100 кг допускается подвешивать только после проверки прочности закрепления подвеса, который должен проверяться путем подвешивания к нему груза, имеющего пятикратную массу осветительной арматуры. Такую нагрузку закрепление подвеса должно выдерживать без остаточных деформаций в течение 10 мин. Конструкция подвески осветительной арматуры массой более 100 кг (многоламповые люстры) должна указываться в проекте. В проекте должны быть даны указания об испытании прочности конструкции. Для защиты людей от поражения электрическим током применяются заземление, зануление, защитное отключение, двойная изоляция.

Комплекс мероприятий, направленных на монтаж электрического освещения распределительного пункта благоприятно скажется на безопасности жизнедеятельности и производительности труда персонала.



9. ЭЛЕКТРОБЕЗОПАСНОСТЬ ПРИ УСТАНОВКЕ ЗАЗЕМЛЯЮЩИХ УСТРОЙСТВ

При выполнении работы в электроустановках лицо, проводящее какую либо работу должно руководствоваться определенными стандартами по электробезопасности. К таким стандартам относится следующая нормативно-техническая документация:

- межотраслевые правила по охране труда при эксплуатации электроустановок;

- правила технической эксплуатации электрических станций и сетей;

- правилами организации технического обслуживания и ремонта оборудования, зданий и сооружений электростанций и сетей;

- правилами организации работы с персоналом на предприятиях и в учреждениях энергетического производства;

- правилами применения и испытания средств защиты, используемых в электроустановках;

- правилами безопасности при работе с инструментами и приспособлениями;

- правила устройства электроустановок.

На основании выше перечисленных документов, создаются инструкции по охране труда для электротехнического персонала. В этих инструкциях расписаны все меры по электробезопасности при выполнении работ в электроустановках.

Заземление - одна из основных и старейших защитных мет. При этой защитной мере все металлические корпуса электроприемников, металлические конструкции и т.д., которые могут оказаться изза повреждения изоляции под опасным напряжением. Должны быть заземлены, т.е. преднамеренно соединены с землей.

Назначение защитного заземления заключается в том, чтобы создать между корпусом защищаемого устройства и землей электрическое соединение с достаточно малым сопротивлением для того, чтобы в случае замыкания на корпус этого устройства прикосновение к этому корпусу человека (параллельное присоединение) не могло вызвать прохождение через его тело тока величины, которая угрожала бы жизни или здоровью. Отсюда следует, что для обеспечения безопасности пригодно не всякое соединение с землей, а только имеющее достаточное малое сопротивление, во всяком случае, во много раз меньше, чем сопротивление тела человека. Человек может оказаться под действием поражающего тока в случаях одно двухфазного (двухпроводного) прикосновения к неизолированным токоведущим частям электроустановки в соответствии с рисунком 9.1 , при попадании под напряжения шага в зоне замыкания тока на землю при приближении к токоведущим частям напряжением выше кВ на недопустимо близкое расстояние, что приводит к возникновению электрической дуги между токоведущими частями и человеком.