Молниеотводы

Рис. 1.22. Молниеотвод

Всякий молниеотвод (рис. 1.22) состоит из молниеприёмника, возвышающегося над защищаемым объектом, токоведущего спуска и заземлителя, расположенного в земле. Хорошее заземление молниеотвода является необходимым условием надежной защиты, так как при ударе молнии в плохо заземленный молниеотвод на нем возникает высокое напряжение, способное вызвать пробой с молниеотвода на защищаемый объект. Не меньшее значение имеет осуществление надежных электрических соединений между всеми частями молниеотвода, так как при прохождении тока молнии в местах плохих контактов возникает интенсивное искрение, которое может привести к пожару.

По условием термической устойчивости площадь поперечного сечения токоведущего спуска должна быть равна 25 мм², однако из условий коррозионной стойкости токоведущий спуск делается площадью 50 мм² из стальных проволок диаметром 8 мм. Применение стального многопроволочного троса по условиям коррозии не рекомендуется.

Пространство вокруг молниеотвода, вероятность попадания молнии в которое маловероятно, называется зоной защиты. Зона защиты имеет форму шатра.

Лидер молнии, спускаясь из грозового облака, не чувствует присутствия молниеотвода вплоть до высоты Н. Направление развития лидера устанавливается исключительно самим лидером. Однако, начиная с высоты Н, на направление развития лидера влияет неоднородность электрического поля, вызванная присутствием молниеотвода, и лидер молнии прорастает на молниеотвод. Высота Н называется высотой ориентировки молнии. Для молниеотводов высотой до 30 м высота ориентировки молнии H = kh, где h – высота молниеотвода; k – коэффициент пропорциональности, равный 20 для стержневых молниеотводов и 10 для тросовых. Для стержневых и тросовых молниеотводов высотой более 30 м высота ориентировки молнии равна соответственно 600 и 300 м.

Стержневые молниеотводы. На рис. 1.23 изображен одиночный стержневой молниеотвод высотой h. Разряды молнии, которые проходят не далее чем на расстоянии R = 3,5 h, будут захвачены молниеотводом. Расстояние R называетсярадиусом зоны 100 %-го попадания молнии в молниеотвод.

Рис. 1.23. Стержневые молниеотводы

Рис. 1.24. Упрощенное построение зоны защиты одиночного молниеотвода

Разряды молнии, которые проходят далее чем на расстоянии R ударят в землю, но не ближе r = 1,6 h. Расстояние r называетсярадиусом зоны защиты на уровне земли. На рис. 1.24 представлено упрощенное построение зоны защиты. На уровне земли откладываются расстояния 0,75 h и 1,5 h, от вершины молниеотвода вниз – расстояние 0,2 h. Точки соединяются прямыми линиями как показано на рис. 1.24. Обведенный контур есть зона защиты.

В том случае, если два равновысоких молниеотвода находятся на расстоянии а = 2 R = 7 h, зоны 100 %-го попадания в молниеотвод на высоте ориентировки молнии соприкасаются (рис. 1.25), поэтому молния не может прорваться через защиту и ударить в землю.

Рис. 1.25. Соприкосновение зон 100 %-го попадания в молниеотвод

на высоте ориентировки молнии H

При сравнивании рис. 1.24 и 1.25 видно, что два рядом стоящих молниеотвода имеют зону защиты большую, чем сумма зон защиты двух одиночных молниеотводов. В том случае, если нужно защитить точку, находящуюся посередине между молниеотводами на высоте h ₀, то должно выполняться соотношение a < 7(h – h ₀) (рис. 1.26). При известном расстоянии между молниеотводами (h – h ₀) = a /7.

Рис. 1.26. Зона защиты двух рядом стоящих стержневых молниеотводов

Построение зоны защиты для двух молниеотводов, имеющих разную высоту, показано на рис. 1.27. Сначала строится зона защиты более высокого молниеотвода h ₂, затем зона защиты меньшего молниеотвода h ₁ только с внешней стороны. Через вершину молниеотвода меньшей высоты проводится горизонтальная линия до пересечения с зоной защиты большего молниеотвода. Точке пересечения защищена, поэтому можно предположить, что здесь находится молниеотвод высотой h ₁ (фиктивный), далее между молниеотводами равной высоты строится зона защиты обычным образом.

Рис. 1.27. Зона защиты двух стержневых молниеотводов разной высоты

Отдельно стоящие молниеотводы высотой до 20 м выполняются из стальных труб, применение растяжек не допускается. Молниеотводы высотой более 20 м выполняются в виде решетчатых конструкций. В качестве несущих устройств могут использоваться конструкции защищаемых объектов.

Тросовые молниеотводы. Тросовые молниеотводы применяются для защиты линий электропередачи. Зона защиты тросового молниеотвода показана на рис. 1.28. Она строится так же, как и для стержневого молниеотвода, с той лишь разницей, что ширина зоны 100 %-го попадания в молниеотвод на высоте ориентировки молнии H равна B = 2 h, а ширина зоны защиты на уровне земли b = 1,2 h.

Рис. 1.28. Зона защиты тросового молниеотвода

В электроустановках тросы используются в основном для защиты проводов ЛЭП. Разница высот между тросом и проводом составляет меньше 0,2 h, поэтому пользуются не зонами защиты, а углами защиты (рис. 1.29). Угол защиты тросового молниеотвода – это угол между вертикалью, проходящей через трос, и линией, проходящей через трос и провод. Оптимальный угол защиты 20–25º, при меньшем угле может оказаться незащищенным центральный провод.

Рис. 1.29. Угол защиты тросового молниеотвода

Вероятность прорыва молнии. Одиночный стержневой молниеотвод принимает на себя разряды молнии в окружности радиусом R = 3,5 h. При высоте молниеотвода h = 30 м, R = 3,5 h =

= 3,5·30» 100 м. Площадь такого круга

S = p R ² = 3,14·100² » 30 000 м²» 0,03 км². Известно, что в средней климатической полосе России 1 км² поверхности земли поражается разрядами молнии в среднем 2,5 раза в год. Следовательно, 0,03 км² будет поражен 0,075 раза в год, или один раз в 1/ 0,075 = 13 лет. Таким образом, одиночный стержневой молниеотвод высотой 30 м будет поражаться один раз в 13 лет. Предположим, что подстанция защищена 10 молниеотводами, у которых зона защиты определена с вероятностью 0,1 % (или 0,001 в относительных единицах). Тогда будем иметь поражение одного из 10 молниеотводов один раз в 1,3 года, при этом прорыв молнии произойдет в 0,001 случаев, т. е. один раз 1,3/0,001 = 1300 лет. Следовательно, для стержневых молниеотводов необходимость уточнения вероятности, с которой определены зоны защиты, не возникает.

Линии электропередачи из-за своей протяженности очень часто поражаются молниями. Каждые 100 км ЛЭП поражаются 15–20 раз в год в средней полосе России, поэтому для ЛЭП расчет вероятности защиты с помощью тросов приобретает важное значение. Вероятность Р _α прорыва молнии через тросовую защиту определяется по формуле

, (1.42)

где α – угол защиты; h _оп – высота опоры.

Рассчитаем две линии, имеющие одинаковые углы защиты в 45º. Высота первой опоры 16 м, второй – 36 м. Определим вероятность прорыва для двух случаев:

1. ; P_α = 0,01, или 1 %;

2. ; P_α = 0,1, или 10 %.

Из примера видно, что с увеличением высоты опор необходимо уменьшать угол защиты с тем, чтобы вероятность прорыва молнии оставалась прежней. Стремление применить углы защиты меньше оптимальных 20–25º приводит к значительному утяжелению опор, так как меньшие углы можно получить, увеличивая горизонтальный разнос проводов или поднимая выше трос.

Допустимое расстояние между молниеотводом и защищаемым объектом. Защищаемый объект должен полностью входить в зону защиты, вместе с тем он должен располагаться на определенном расстоянии от молниеотвода. Если это расстояние слишком мало, то при ударах молнии могут происходить перекрытия с частей молниеотвода на защищаемый объект. Разряд молнии, проходя по молниеотводу, создает падение напряжения на сопротивлении заземлителя и индуктивности токоотвода:

, (1.43)

где I _м – амплитуда тока молнии; R _и – импульсное сопротивление заземлителя; L – индуктивность токоотвода; d i _м/d t – крутизна фронта тока молнии.

Пусть молния с амплитудой 100 кА и крутизной фронта 50 кА/мкс ударила в молниеотвод высотой 20 м с удельной индуктивностью токоведущих спусков 1,7 мкГн/м и сопротивлением заземлителя 10 Ом. Напряжение на молниеотводе U = 100 кА · 10 Ом + 1,7 мкГн/м · 20 Ом ·50 кА/мкс = 1000 кВ+ + 1700 кВ = 2,7 МВ.

Расстояние от молниеотвода до объекта должно выбираться из условия:

S > U / E _доп, где E _доп = 500 кВ/м для воздуха. Для предотвращения перекрытия от заземлителя на объект, расположенный в земле, расстояние должно быть вычислено по формуле: S > I _м R _и / E _доп, где E _доп = 300 кВ/м для земли.

Дата добавления: 2014-12-16