CC BY
25
Карпов Алексей Сергеевич
кандидат технических наук, старший научный сотрудник лаборатории электроэнергетики и электротехнологии Центра физико-технических проблем энергетики Севера — филиала ФГБУН ФИЦ КНЦ РАН Е-mail: karpov@admksc.apatity.ru
Фастий Галина Прохоровна
научный сотрудник лаборатории электроэнергетики и электротехнологии Центра физико-технических проблем энергетики Севера — филиала ФГБУН ФИЦ КНЦ РАН Е-mail: g.fastiy@ksc.ru
Смотров Сергей Викторович
инженер ОМиККЭ ПАО «МРСК Северо-Запада» «Мурманский филиал» Е-mail: svsmotrov@kolenergo.ru
DOI 10.37614/2307-5252.2020.7.19.008 УДК 621.548 (470.21)
Л. А. Белова
СИСТЕМА ЗАЗЕМЛЕНИЯ ДЛЯ НАЗЕМНЫХ ВЕТРОУСТАНОВОК
Аннотация
Система заземления для башен наземных ветроустановок (ВЭУ), помимо защитного и функционального заземления, обеспечивает и молниезащитное, что особенно важно, так как ВЭУ восприимчива к ударам молнии. Если предприняты недостаточные защитные меры, риск повреждения ВЭУ из-за удара молнии повышается. Поэтому необходима продуманная встроенная система заземления для башен ВЭУ, которая функционировала бы необходимым образом и гарантировала долговременную механическую прочность и коррозионную стойкость. Конфигурация систем заземления для ВЭУ рассматривается в стандарте МЭК 61400-24, который касается темы молниезащиты для ветряных турбин, включая подробную информацию о выборе мер молниезащиты и защиты от перенапряжений. Желательно создать концепцию молниезащиты на начальной стадии планирования ВЭУ, чтобы избежать затрат на ремонт и дооснащения.
Ключевые слова:
ВЭУ, система заземления, заземляющий электрод фундамента, бетонная башня, гибридная башня.
Liubov A. Belova
EARTH-TERMINATION SYSTEM FOR ONSHORE WIND TURBINES
Abstract
The earth-termination system for towers of ground-based wind turbines in addition to protective and functional grounding provides lightning protection grounding, which is especially important since the wind turbine is susceptible to lightning strikes. If insufficient protective measures are taken, the risk of damage to a wind turbine due to a lightning strike increases. Therefore, a well-thought-out built-in grounding system for wind turbine towers is needed, which would function as necessary and guarantee long-term mechanical strength and corrosion resistance. The configuration of grounding systems for wind turbines is discussed in IEC 61400-24, which deals with the topic of lightning protection for wind turbines, including detailed information on the choice
of lightning protection measures and surge protection. It is advisable to create a lightning
protection concept at the initial stage of planning a wind turbine in order to avoid later
costly repairs and retrofitting. Keywords:
wind turbines, earth-termination system, foundation earth electrode, concrete tower, hybrid tower.
Для создания концепции защиты ветроустановка подразделяется на молниезащитные зоны:
• внешние зоны (кроме лопасти ротора) — определяются методом вращающейся сферы;
• внутренние зоны — их подразделение зависит от конструкции отдельной ветряной турбины и должно проводиться соответствующим образом.
Установив соответствующие зоны защиты от молнии, можем определить необходимые защитные меры [1].
Стандарты для систем заземления
Следующие стандарты формируют основу для установки систем заземления наземных (ВЭУ) с интегрированной системой среднего напряжения:
• МЭК 61400-24 — Национальный стандарт РФ. Ветровые турбины. Часть 24. Молниезащита;
• МЭК 60364-5-54 — Национальный стандарт РФ. Низковольтные электрические установки;
• МЭК 60364-4-41 — Национальный стандарт РФ. Электроустановки низковольтные. Часть 4-41. Требования для обеспечения безопасности. Защита от поражения электрическим током;
• IEC 61936-1 — Международный стандарт. Силовые установки свыше 1 кВ;
• IEC 62305-3 — Международный стандарт. Защита от молнии. Часть 3.
Система заземления
Система заземления ВЭУ должна выполнять следующие задачи:
1. Обеспечивать безопасное подключение электрооборудования к земле и защищать рабочий персонал и оборудование в случае электрической неисправности (защитное заземление).
2. Обеспечивать безопасную и бесперебойную работу электрического и электронного оборудования (функциональное заземление).
3. Обеспечивать безопасную передачу тока молнии от нисходящих проводников к земле (молниезащита).
В качестве заземляющих электродов могут служить железобетонные фундаменты ВЭУ. Фундаменты обеспечивают низкое сопротивление заземления и представляют собой отличную основу для эквипотенциального соединения.
Система заземления должна быть спроектирована в соответствии с IEC 61936-1. Как и стандарт молниезащиты, IEC 61936-1 описывает все типы заземляющих электродов.
К проектированию систем заземления предъявляются четыре требования:
1. Должны быть обеспечены механическая прочность и коррозионная стойкость.
2. Рассчитанный максимальный ток короткого замыкания должен учитываться с термической точки зрения.
3. Следует избегать повреждения оборудования.
4. Рабочий персонал должен быть защищен от напряжения в системах заземления, которое возникает в случае максимального тока повреждения.
Основные параметры для определения параметров системы заземления:
• состав грунта;
• возникающие токи короткого замыкания в случае неисправности.
В ВЭУ с различными номинальными напряжениями эти требования должны выполняться для каждого уровня напряжения.
Нейтральный провод низковольтной системы может быть подключен к системе заземления системы среднего напряжения, если в случае замыкания на землю в системе среднего напряжения выполняются следующие условия:
• опасное напряжение прикосновения не возникнет в низковольтной системе или в подключенных к ней установках потребителя;
• нагрузка по напряжению на низковольтных устройствах в установках потребителя не будет превышать значений, определенных в МЭК 60364-4-41, в результате повышения потенциала в нейтральной точке низкого напряжения.
Система заземления среднего напряжения также должна быть объединена в систему молниезащиты. Для системы заземления должен быть подготовлен план расположения, в котором указано, какой материал будет использован, и показаны положение заземляющих электродов, их точки разветвления и глубина залегания [2, 3].
Перед вводом в эксплуатацию должен быть составлен протокол испытаний для подтверждения того, что все требования соответствующих стандартов выполнены.
Заземляющие электроды фундамента
Заземляющие электроды фундамента должны быть спроектированы и установлены в соответствии с МЭК 60364-5-54:2011.
Заземляющие электроды являются частью электроустановки и выполняют основные функции безопасности. Заземляющие электроды должны быть установлены в виде замкнутого кольца и размещены в основании наружных стен здания или в фундаментной плите. Они должны быть покрыты со всех сторон 5 см бетона.
Заземляющие электроды должны быть изготовлены из оцинкованной круглой или полосовой стали. Круглая сталь должна иметь минимальный диаметр 10 мм, стальные полосы — минимальные размеры 30^3,5 мм. Заземляющий электрод фундамента должен быть подключен к основной эквипотенциальной соединительной шине внутри ВЭУ посредством соединительного элемента (рис. 1) [4].
В соответствии со стандартом молниезащиты 1ЕС 62305-3 заземляющий электрод заземления должен иметь клеммные наконечники для подключения нисходящих проводников внешней системы молниезащиты к системе заземления.
В случае если фундамент армированный, то круглая или полосовая сталь размещается на нижнем армирующем слое. Чтобы фундамент был электропроводным, он должен быть надежно соединен с арматурой с интервалом 2 м. Это делается сваркой, зажимом или прессованием [5].
Рис. 1. Заземляющий электрод с компонентом подключения для системы молниезащиты и главной эквипотенциальной соединительной шины:
1 — заземляющий электрод; 2 — клеммная колодка; 3 — клеммы, 4,5 — зажимы; 6 — главная шина заземления
Fig. 1. Foundation earth electrode with connection component for the lightning protection system and main equipotential bonding bar:
1 — grounding electrode, 2 — terminal block, 3 — terminals, 4, 5 — clamps, 6 — the main grounding bus
Система молниезащиты
Для эквипотенциального соединения, чтобы обеспечить электромагнитную совместимость, в фундамент необходимо установить круглую или полосовую сталь и соединить ее с арматурой и шиной выравнивания потенциалов. Это достигается в соответствии с IEC 62305-3. В таком случае при ударе молнии не может возникнуть пробоина от фундамента через систему изоляции до системы заземления.
Кольцевой заземляющий электрод и клеммные наконечники должны иметь конструкцию, устойчивую к коррозии [5].
Пример системы заземления ВЭУ
К системе заземления применяются следующие требования:
1. Вертикальные нисходящие проводники в бетоне должны быть изготовлены из круглой стальной проволоки 10 мм или из оцинкованной полосовой стали 30x3,5 мм.
2. Нисходящие проводники должны быть подключены к арматуре с интервалом 2 м для создания эквипотенциального соединения. Если арматура непрерывно соединена и ее поперечное сечение является достаточным, арматура может быть использована в качестве нисходящих проводников.
3. Соединительные кабели используют для соединения отдельных элементов башни внутри. Их необходимо подключать к фиксированным заземляющим клеммам, которые крепятся к нисходящим проводникам в бетоне.
4. Все используемые компоненты должны выдерживать ток молнии.
5. Круглая стальная проволока (10 мм) или стальная полоса (30^3,5 мм) также используются для горизонтальных соединений (соединения с арматурой с интервалом 2 м).
6. Лестница должна быть подключена к выравниванию потенциалов на обоих концах, с интервалом в 20 м на каждой платформе (рис. 2).
Рис. 2. Схематическое представление отдельных сегментов башни с приставной лестницей Fig. 2. Schematic representation of individual segments of the tower with a ladder
7. Кабели лифта и шины должны быть подключены к эквипотенциальному соединению на обоих концах. Для этой цели необходимо предусмотреть достаточное количество фиксированных клемм заземления.
8. Фундамент ветроустановки должен быть выполнен в виде круглого кольца с наружным диаметром 21 м и внутренним — 10 м.
9. Внутри фундамента необходимо установить заземляющий электрод фундамента из оцинкованной стальной полосы (30x3,5 мм).
10. Снаружи фундамента необходимо установить кольцевой заземляющий электрод из круглой стальной проволоки 10 мм (рис. 3).
11. Заземляющий электрод фундамента, состоящий из оцинкованной стальной полосы (30x3,5 мм), должен устанавливаться в фундамент радиусом 10,25 м.
12. Заземляющий электрод основания должен быть покрыт 25 см бетона.
Рис. 3. Вид фундамента с системой заземления в разрезе (а), вид фундамента сверху (б) Fig. 3. Sectional view of a foundation with earth-termination system (a), top view of a foundation (б)
13. В фундамент должны быть установлены внутреннее кольцо с радиусом 5,7 м и дополнительное кольцо с радиусом 4,6 м.
14. Оцинкованная полосовая сталь должна крепиться к арматуре с интервалом 2 м.
15. Три соединительных провода должны быть проложены от заземляющего электрода фундамента радиусом 10,25 м до внутреннего кольца радиусом 5,7 м и внутреннего кольца радиусом 4,6 м под углом 120° друг от друга.
16. Соединительные провода должны крепиться к арматуре.
17. Два клеммных наконечника необходимо соединить с внутренним кольцом радиусом 4,6 м с клеммой заземления (эквипотенциальное соединение).
18. Четыре клеммных зажима должны быть соединены с внутренним кольцом радиусом 4,6 м с нижними проводниками башни.
19. Кольцевой заземляющий электрод из круглой стали необходимо установить на расстоянии 1 м от внешнего края фундамента.
20. Восемь соединительных проводников из нержавеющей стали необходимо проложить от кольцевого заземляющего электрода радиусом 11,5 м к внутреннему кольцу радиусом 4,6 м. Четыре из этих соединительных проводников должны быть подключены к внутреннему кольцу. Остальные соединительные проводники должны быть подключены к поперечному зажиму в центре кольца.
21. Заземляющие стержни подключаются в трех точках смещения кольцевого заземляющего электрода под углом 120° друг к другу.
22. Система заземления должна быть подключена к шине выравнивания потенциалов внутри башни.
Литература
1. ГОСТ Р 54418.24-2013 (МЭК 61400-24:2010). Возобновляемая
энергетика. Ветроэнергетика. Установки ветроэнергетические. Часть 24. Молниезащита. 2015. С. 1-163.
2. ГОСТ Р 50571.3-2009 (МЭК 60364-4-41:2005). Электроустановки низковольтные. Часть 4-41. Требования для обеспечения безопасности. Защита от поражения электрическим током. 2005. С. 1-33.
3. IEC 61936-1:2010. Установки электрические напряжением свыше 1 кВ переменного тока. Часть 1. Общие правила. 2010. С. 1-214.
4. ГОСТ Р 50571.5.54-2013 (МЭК 60364-5-54:2011). Электроустановки низковольтные. Часть 5-54. Заземляющие устройства, защитные проводники и защитные проводники уравнивания потенциалов. 2015. С. 1-44.
5. IEC 62305-3:2010. Защита от молнии. Часть 3. Физические повреждения конструкций и опасность для жизни. 2010. С. 1-160.
Сведения об авторе Белова Любовь Александровна
лаборант-исследователь лаборатории энергосбережения и возобновляемых источников энергии Центра физико-технических проблем энергетики Севера — филиала ФГБУН ФИЦ КНЦ РАН E-mail: belowa8998@gmail.com
DOI 10.37614/2307-5252.2020.7.19.009 УДК 621.039 (470.21)
Н. М. Кузнецов, В. А. Минин
РОЛЬ КОЛЬСКОЙ АЭС В ЭНЕРГЕТИКЕ МУРМАНСКОЙ ОБЛАСТИ Аннотация
Показано определяющее значение Кольской АЭС в структуре Кольской электроэнергетической системы. Взаимно дополняющая работа КАЭс мощностью 1760 МВт с семнадцатью гидроэлектростанциями мощностью около 1600 МВт и двумя ТЭЦ мощностью 240 МВт делает уникальной систему электроснабжения региона, производящую самую дешевую электроэнергию на Северо-Западе России. Рассмотрены вопросы, связанные с дальнейшим продлением сроков эксплуатации действующей АЭС и сооружением в перспективе Кольской АЭС-2. Ключевые слова:
Кольская АЭС, электроэнергетическая система, выработка и потребление электроэнергии.
Nikolai M. Kuznetsov, Valerii A. Minin
THE ROLE OF THE KOLA NUCLEAR POWER PLANT IN MURMANSK REGION ENERGY
Abstract
The determining value of the Kola NPP in the structure of the Kola electric power system is shown. The mutually complementary operation of the 1,760 MW KAES with seventeen hydroelectric power stations with a capacity of about 1,600 MW and two 240 MW thermal power plants makes the region's power supply system unique, producing the cheapest electricity in the North-West of Russia. The issues related to the further extension of the operating life of the existing nuclear power plant and the construction of the Kola NPP-2 in the future are considered. Keywords:
Kola nuclear power plant, electricity system, electricity generation, electricity consumption.
