Ниже поясняется подход к определению зон защиты молниеотводов, построение которых осуществляется по формулам приложения 3 РД 34.21.122-87.

Защитное действие молниеотвода основано на "свойстве молнии с большей вероятностью поражать более высокие и хорошо заземленные предметы по сравнению с расположенными рядом объектами меньшей высоты. Поэтому на молниеотвод, возвышающийся над защищаемым объектом, возлагается функция перехвата молний, которые в отсутствие молниеотвода поразили бы объект. Количественно защитное действие молниеотвода определяется через вероятность прорыва - отношение числа ударов молнии в защищенный объект (числа прорывов) к общему числу ударов в молниеотвод и объект.

Существует несколько способов оценки вероятности прорыва, основанных на разных физических представлениях о процессах поражения молнией. В РД 34.21.122-87 использованы результаты расчетов по вероятностной методике, связывающей вероятность поражения молниеотвода и объекта с разбросом траекторий нисходящей молнии без учета вариаций ее токов.

Согласно принятой расчетной модели невозможно создать идеальную защиту от прямых ударов молнии, полностью исключающую прорывы на защищаемый объект. Однако на практике осуществимо взаимное расположение объекта и молниеотвода, обеспечивающее низкую вероятность прорыва, например 0,1 и 0,01, что соответствует уменьшению числа поражений объекта примерно в 10 и 100 раз по сравнению с объектом, где отсутствует молниеотвод. Для большинства современных объектов при таких уровнях защиты обеспечивается малое количество прорывов за весь срок их службы.

Выше рассматривалось производственное здание высотой 20 м и размерами в плане 100×100 м, расположенное в местности с продолжительностью гроз 40-60 ч в год; если это здание защищено молниеотводами с вероятностью прорыва 0,1, в него можно ожидать не более одного прорыва за 50 лет. При этом не все прорывы в равной степени опасны для защищаемого объекта, например воспламенения возможны при больших токах или переносимых зарядах, которые встречаются не в каждом разряде молнии. Следовательно, на данный объект можно ожидать одно опасное воздействие за срок, заведомо превышающий 50 лет или для большинства промышленных объектов II и III категорий не более одного опасного воздействия за все время их существования. При вероятности прорыва 0,01 в то же здание можно ожидать не более одного прорыва за 500 лет - период, намного превышающий срок службы любого промышленного объекта. Такой высокий уровень защиты оправдан только для объектов I категории, представляющих постоянную угрозу взрыва.

Выполняя серию расчетов вероятности прорыва в окрестности молниеотвода, можно построить поверхность, являющуюся геометрическим местом положения вершин защищаемых объектов, для которых вероятность прорыва - постоянное значение. Эта поверхность является внешней границей пространства, называемого зоной защиты молниеотвода; для одиночного стрежневого молниеотвода эта граница - боковая поверхность кругового конуса, для одиночного троса - двускатная плоская поверхность.

Обычно зону защиты обозначают по максимальной вероятности прорыва, соответствующей ее внешней границе, хотя в глубине зоны вероятность прорыва существенно уменьшается.

Расчетный метод позволяет построить для стержневых и тросовых молниеотводов зону защиты с произвольным значением вероятности прорыва, т.е. для любого молниеотвода (одиночного или двойного) можно построить произвольное количество зон защиты. Однако для большинства народнохозяйственных зданий достаточный уровень защиты можно обеспечить, пользуясь двумя зонами, с вероятностью прорыва 0,1 и 0,01.

В терминах теории надежности вероятность прорыва - это параметр, характеризующий отказ молниеотвода как защитного устройства. При таком подходе двум принятым зонам защиты соответствует степень надежности 0,9 и 0,99. Такая оценка надежности справедлива при расположении объекта вблизи границы зоны защиты, например объекта в виде кольца, соосного со стержневым молниеотводом. У реальных же объектов (обычных зданий) на границе зоны защиты, как правило, расположены лишь верхние элементы, а большая часть объекта помещается в глубине зоны. Оценка надежности зоны защиты по ее внешней границе приводит к чрезмерно заниженным значениям. Поэтому, чтобы учесть существующее на практике взаимное расположение молниеотводов и объектов, зонам защиты А и Б приписана в РД 34.21.122-87 ориентировочная степень надежности 0,995 и 0,95 соответственно.

Рис. 1. Номограммы для определения высоты одиночных (а) и двойных равной высоты (б) молниеотводов в зоне А

Расчетный метод вероятности прорыва разработан только для нисходящих молний, преимущественно поражающих объекты высотой до 150 м. Поэтому в РД 34.21.122 - 87 формулы для построения зон защиты одиночных и многократных стержневых и тросовых молниеотводов ограничены высотой 150 м. На сегодняшний день объем фактических данных о поражаемости нисходящими молниями объектов большей высоты очень мал и в основном относится к Останкинской телевизионной башне (540 м). На основании фоторегистраций можно утверждать, что нисходящие молнии прорываются более чем на 200 м ниже ее вершины и поражают землю на расстоянии около 200 м от основания башни. Если рассматривать Останкинскую телевизионную башню как стержневой молниеотвод, можно заключить, что относительные размеры зон защиты молниеотводов высотой более 150 м редко сокращаются с увеличением высоты молниеотводов. С учетом ограниченности фактических данных о поражаемости сверхвысоких объектов в РД 34.21.122 - 87 включены формулы для построения зон защиты только для стержневых молниеотводов высотой более 150 м.

Рис. 2. Номограммы для определения высоты одиночных (а) и двойных равной высоты (б) молниеотводов в зоне Б

Метод расчета зон защиты от поражений восходящими молниями пока не разработан. Однако по данным наблюдений известно, что восходящие разряды возбуждаются с остроконечных предметов вблизи вершины высоких сооружений и затрудняют развитие других разрядов с более низких уровней. Поэтому для таких высоких объектов, как железобетонные дымовые трубы или башни, предусматривается, прежде всего, защита от механических разрушений бетона при возбуждении восходящих молний, которая осуществляется путем установки стержневых или кольцевых молниеприемников, обеспечивающих максимально возможное по конструктивным соображениям превышение над вершиной объекта (п. 2.31 ).

В этом пособии приведены номограммы для определения высот стержневых С и трассовых Т одиночных и двойных молниеотводов, обеспечивающих зоны защиты А и Б (рис. 1 и 2). Использование этих номограмм, построенных в соответствии с расчетными формулами и обозначениями приложения 3 РД 34.21.122-87, позволяет сократить объем вычислений и упростить выбор средств молниезащиты при проектировании.

Молниеприемник непосредственно воспринимает прямой удар молнии. Поэтому он должен надежно противостоять механическим и тепловым воздействиям тока и высокотемпературного канала молнии. Несущая конструкция несет на себе молниеприемник и токоотвод, объединяет все элементы молниеотвода в единую, жесткую, механически прочную конструкцию. В электроустановках молниеотводы устанавливаются вблизи токоведущих частей, находящихся под рабочим напряжением. Падение молниеотвода на токоведущие элементы электроустановки вызывает тяжелую аварию. Поэтому несущая конструкция молниеотвода должна иметь высокую механическую прочность, которая исключила бы в эксплуатации случаи падения молниеотвода на оборудование электростанций и подстанций. Молниеотвод должен иметь надёжную связь с землёй с сопротивлением 5-25 Ом растеканию импульсного тока. Защитное свойство стержневых молниеотводов заключается в том, что они ориентируют на себя лидер формирующегося грозового разряда. Разряд происходит обязательно в вершину молниеотвода, если он формируется в некоторой области, расположенной над молниеотводом. Эта область имеет вид расширяющегося вверх конуса и называется зоной 100%-го поражения.

Опытными данными установлено, что высота ориентировки молнии H зависит от высоты молниеотвода h. Для молниеотводов высотой до 30 метров:

а для молниеотводов высотой более 30 метров H=600 м.

где - активная часть молниеотвода, соответствующая его превышению над высотой защищаемого объекта:

Рисунок 1.1 Зона защиты одиночного стержневого молниеотвода: 1 - граница зоны защиты; 2 - сечение зоны защиты на уровне.

Для расчёта радиуса защиты в любой точке защитной зоны, в том числе и на уровне высоты защищаемого объекта, используется формула:

где - поправочный коэффициент, равный 1 для молниеотводов высотой меньше 30 метров и равный для более высоких молниеотводов.

Зоны защиты протяженных объектов в которых используется несколько молниеотводов, целесообразно, чтобы зоны их 100%-го поражения смыкались над объектом или даже перекрывали друг друга, исключая вертикальный прорыв молнии на объект защиты Расстояние (S) между осями молниеотводов должно быть равно или меньше величины, определяемой из зависимости:

Зона защиты двух и четырёх стержневых молниеотводов в плане на уровне высоты защищаемого объекта имеет очертания, приведённые на рисунке 1.3, а, б.

Наименьшая ширина зоны защиты, показанный на чертеже радиус защиты определяется так же, как и для одиночного молниеотвода, а определяется по специальным кривым. На рисунке 1.2 показаны конструкции стержневых молниеотводов. Если у молниеотводах высотой до 30 метров, расположенных на расстоянии, наименьшая ширина зоны защиты равна нулю.

Рисунок 1.2 Конструкции стержневых молниеотводов на железобетонных опорах: а -из вибрированного бетона; б - центрифугированного бетона

Рисунок 1.3 Стержневые молниеотводы на металлических опорах: а - тросовый молниеотвод (несущая конструкция); б - стержневой молниеотвод (несущая конструкция)

На рисунке 1.3 показаны конструкции стержневых молниеотводов на металлических опорах. Радиусы защиты определяются в этом случае так же, как и для одиночных молниеотводов. Размер определяется по кривым для каждой пары молниеотводов. Диагональ четырёхугольника или диаметр окружности, проходящей через вершины треугольника, образованного тремя молниеотводами, по условиям защищённости всей площади должны удовлетворять зависимости:

Для молниеотводов высотой меньше 30 м:

Для молниеотводов высотой более 30 м:

Отдельно стоящие стержневые молниеотводы с металлическими опорами устанавливаются на железобетонных фундаментах. Токоотводамп для таких молниеотводов служат несущие конструкции. На металлических и железобетонных конструкциях ОРУ, как правило, устанавливаются молниеотводы с металлическими несущими частями. Конструкция их крепления определяется особенностями той конструкции ОРУ, к которой крепится стержневой молниеотвод. Обычно конструкция молниеотводов, устанавливаемых на конструкциях ОРУ, представляет собой стальную трубу, нередко состоящую из труб нескольких диаметров. Молниеотводы высотой более 5 м в основании имеют решетчатую конструкцию из угловой стали. Потенциал на молниеотводе в момент разряда определяется зависимостью:

где - импульсное сопротивление заземления молниеотвода 5-25 Ом;

Ток молнии в хорошо заземлённом объекте.

Потенциал на молниеотводе определяется:

где - крутизна фронта волны тока;

• - точка молниеотвода на высоте объекта;
• - удельная индуктивность молниеотвода.

Для расчёта минимального допустимого приближения объекта к молниеотводу можно исходить из зависимости:

где - допустимая импульсная напряжённость электрического поля в воздухе, принимаемая 500 кВ/м.

Руководящие указания по защите от перенапряжений рекомендуют расстояние до молниеотвода принимать равным:

Эта зависимость справедлива при токе молнии, равным 150 кА, крутизне тока 32 кА/мксек и индуктивности молниеотвода 1,5 мкГн/м. Независимо от результатов расчёта, расстояние между объектом и молниеотводом должно быть не менее 6 метров.

Тросовый молниеотвод. Значения коэффициентов k и z берутся в зависимости от допускаемой вероятности прорыва молнии в зону защиты. Вероятность прорыва молнии в зону защиты равна отношению числа разрядов молнии в защищаемое сооружение к общему числу разрядов молнии в молниеотвод и защищаемое сооружение. Если допускается вероятность прорыва молнии в зону защиты 0,01, то коэффициент 1, а при допускаемой вероятности 0,001, т. е. защитные зоны тросовых молниеотводов несколько меньше защитных зон стержневых молниеотводов. Форма зоны защиты двух параллельных тросовых молниеотводов высотой до 30 м. Внешние границы зоны защиты каждого троса определяются так же, как и для одиночного тросового молниеотвода. В зависимости от конструкции опор, могут быть применены один или два троса, наглухо присоединённые к металлической опоре или к заземляющим металлическим спускам деревянных опор. Для предохранения троса от пережога током молнии и контроля заземления опоры крепления троса производится с помощью одного подвесного изолятора, шунтированного искровым промежутком. Эффективность тросовой защиты тем выше, чем меньше угол, образованный вертикалью, проходящей через трос, и линией, соединяющей трос с крайним из проводов. Этот угол называют защитным углом, принимая его величину в пределах

Зона защиты двух тросовых молниеотводов высотой более 30 м. Метод построения зоны защиты для этого случая такой же, как и для тросовых молниеотводов высотой до 30 м, но на расстоянии от вершины зона усекается так же, как у одиночных тросовых молниеотводов. Ширина защитной зоны, исключающей прямое поражение проводов на уровне высоты их подвеса, определяется зависимостью:

Эта зависимость справедлива для высоты подвеса троса 30 м и ниже.

МИНИСТЕРСТВО ЭНЕРГЕТИКИ И ЭЛЕКТРИФИКАЦИИ CCC Р

ГЛАВНОЕ ТЕХНИЧЕСКОЕ УПРАВЛЕНИЕ ПО ЭКСПЛУАТАЦИИ ЭНЕРГОСИСТЕМ

РУКОВОДЯЩИЕ УКАЗАНИЯ
ПО РАСЧЕТУ ЗОН ЗАЩИТЫ СТЕРЖНЕВЫХ И ТРОСОВЫХ
МОЛНИЕОТВОДОВ

РД 34.21.121

МОСКВА 1974

Составлено ВЭИ, ГНИЭИ, Энергосетьпроектом

УТВЕРЖДАЮ:

Заместитель начальника

Главтехуправления

Ф. СИНЬЧУГОВ

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Защитное действие молниеотводов основано на свойстве молнии с большей вероятностью поражать более высокие и хорошо заземленные металлические предметы по сравнению с рядом стоящими менее высокими. Молниеотвод, принимающий на себя разряд молнии, представляет собой возвышающееся над защищаемым сооружением металлическое устройство, состоящее из молниеприемника, токоотвода и заземлителя. Для защиты электротехнических установок от прямых разрядов молнии рекомендуется применять стержневые и тросовые молниеотводы. Стержневые молниеотводы выполняются в виде вертикальных металлических конструкций, установленных самостоятельно или на каких-либо сооружениях (например порталах, дымовых трубах), а тросовые - в виде горизонтально подвешенных проводов (тросов).

Степень защищенности сооружения молниеотводом определяется вероятностью прорыва молнии к защищаемому сооружению минуя молниеотвод. Вероятность прорыва молнии равна отношению числа разрядов молнии в защищаемое сооружение к общему числу разрядов молнии в молниеотвод и защищаемое сооружение.

Расчет молниезащиты ведется по зонам защиты. Вероятность прорыва молнии к любому объекту, расположенному внутри зоны защиты, не должна превышать допускаемой величины.

Очертания и размеры зоны защиты определяются числом, высотой и взаимным расположением молниеотводов и зависят от допускаемой вероятности прорыва молнии. Зона защиты тем меньше, чем меньшую вероятность прорыва молнии требуется обеспечить. Пространство между молниеотводами защищено более надежно, чем с внешней стороны молниеотводов. Защитное действие молниеотводов снижается с увеличением высоты защищаемого объекта.

Зоны защиты стержневых молниеотводов высотой до 60 м проверены многолетним опытом эксплуатации и обеспечивают достаточную надежность. Зоны защиты стержневых молниеотводов высотой более 60 м по методике настоящих Руководящих указаний определяются с расчетной вероятностью прорыва молний в объект не более 10 -2 , а тросовых молниеотводов - не более 10 -2 и 10 -3 . Указанная расчетная вероятность прорыва молнии установлена на основе лабораторных испытаний на модели, опыта эксплуатации и сведений о развитии разрядов молнии.

ЗОНЫ ЗАЩИТЫ СТЕРЖНЕВЫХ МОЛНИЕОТВОДОВ

1. Зона защиты одиночного стержневого молниеотвода высотой до 60 м имеет форму, показанную на рис. , размеры зоны определяются соотношением

Рис. 1. Зона защиты одиночного стержневого молниеотвода высотой до 60 м:

h - высота молниеотвода; h x - высота точки на границе защищаемой зоны; h a = h - h x - активная высота молниеотвода

Зона защиты одиночного стержневого молниеотвода высотой h от 60 до 250 м усечена на расстоянии D h от вершины (рис. ) и определяется соотношениями

Рис. 2. Зона защиты одиночного стержневого молниеотвода высотой более 60 м:

D h = 0,5(h - 60) при 60 < h £ 100 м; D h = 0,2 · h при h > 100 м

Рис. 3. Зависимость высоты одиночного стержневого молниеотвода высотой до 30 м от радиуса защиты на различных уровнях h x

Рис. 4. Номограмма для расчета зоны защиты одиночного стержневого молниеотвода высотой до 30 м

Для защищаемых объектов высотой 60 - 100 м высота молниеотвода h , определенная по номограмме рис. , сравнивается с критической высотой h кр , определяющей границу усечения зоны защиты,

Рис. 5. Номограмма для расчета зоны защиты одиночного стержневого молниеотвода высотой до 100 м

Вследствие усечения зон защиты при h меньше h кр высота молниеотвода выбирается равной критической.

При высоте молниеотводов h > 100 м построение зоны защиты производится непосредственно по формулам (), () и ().

2. Очертания зоны защиты двух стержневых молниеотводов (двойной молниеотвод) показаны на рис. для h £ 60 м и рис. для 60 £ h £ 250 м. Для каждого из молниеотводов высотой более 60 м зона защиты усекается на расстоянии D h от вершины, как и для одиночного молниеотвода.

Рис. 6. Зона защиты двух равновысоких стержневых молниеотводов высотой до 60 м:

а - расстояние между молниеотводами; в x - наименьшая ширина зоны защиты на уровне h x ; r x - радиус зоны защиты одиночного молниеотвода; R - радиус окружности, проходящей через вершины молниеотводов и точку 0 , находящуюся на уровне h 0

Рис. 7. Зона защиты двух стержневых молниеотводов высотой более 60 м:

D h = 0,5(h - 60) при 60 < h £ 100 м; D h = 0,2 h при h > 100 м

Построение внешней зоны молниеотводов производится аналогично построению зоны одиночного молниеотвода по формулам () или () в зависимости от высоты. Наименьшая ширина зоны защиты в х между молниеотводами на уровне h x определяется по кривым рис. и . Для молниеотводов высотой от 30 до 250 м значение обеих координат необходимо умножить на коэффициент .

Рис. 8. Значения наименьшей ширины зоны защиты в х двух стержневых молниеотводов высотой h £ 30 м для

Рис. 9. Значение наименьшей ширины зоны защиты в х двух стержневых молниеотводов для

Наименьшая высота зоны защиты h 0 для молниеотводов высотой до 30 м равна

(6)

для молниеотводов от 30 до 250 м

(7)

но не больше h кр , определяемой по формуле (), если h ³ 60 м.

3. Зона защиты трех и более молниеотводов значительно превышает сумму зон защиты одиночных молниеотводов.

Построение горизонтальных сечений зоны защиты на уровне h x показано на рис. - на примере трех и четырех стержневых молниеотводов. Размеры в х /2 определяются по кривым рис. и в зависимости от a / h a и высоты молниеотвода. Радиус защиты r x определяется так же, как и для одиночного молниеотвода. При произвольном расположении нескольких молниеотводов их зона защиты может быть определена суммированием зон любых трех соседних молниеотводов (рис. ).

Рис. 10. Зона защиты четырех стержневых молниеотводов одинаковой высоты; горизонтальное сечение зоны защиты на уровне h x

1, 2, 3, 4 - молниеотводы

Рис. 11. Зона защиты трех стержневых молниеотводов одинаковой высоты; горизонтальное сечение зоны защиты на уровне h x

1, 2, 3 - молниеотводы

Рис. 12. Зона защиты четырех стержневых произвольно расположенных молниеотводов одинаковой высоты; горизонтальное сечение зоны защиты на уровне h x

1, 2, 3, 4 - молниеотводы

Часть зоны защиты трех и более молниеотводов высотой выше 60 м, расположенная вне окружностей, проходящих через центры соседних трех молниеотводов, усекается на расстоянии D h от вершины. Часть зоны, расположенная внутри окружностей, не усекается. Величина D h определяется по формулам () и ().

Необходимым условием защищенности всей площади на уровне h x является:

для молниеотводов высотой h £ 30 м: D £ 8 · h a ;

для молниеотводов высотой 30 < h £ 250 м: D £ 8 · h a · p ,

где D - диаметр окружности, проведенной через три смежных молниеотвода.

ЗОНЫ ЗАЩИТЫ ТРОСОВЫХ МОЛНИЕОТВОДОВ

Зона защиты одиночного тросового молниеотвода (горизонтально подвешенного троса) имеет форму, показанную на рис. для молниеотводов высотой до 30 м и на рис. для молниеотводов высотой от 30 до 250 м. Зона защиты на уровне h x ограничивается двумя параллельными молниеотводу линиями, расположенными на расстоянии r x от вертикальной плоскости, проходящей через тросовый молниеотвод. Это расстояние r x , условно называемое по аналогии с одиночным стержневым молниеотводом радиусом защиты, определяются по формулам:

h < 30 м

(8)

для одиночного тросового молниеотвода высотой h от 30 до 250 м

Рис. 13. Зона защиты одиночного тросового молниеотвода высотой до 30 м:

A - горизонтальное сечение зоны защиты на уровне h x ; T - трос

Рис. 14. Зона защиты одиночного тросового молниеотвода высотой более 30 м

Зона защиты тросового молниеотвода высотой 30 < h < 250 м усекается сверху на величину

Рис. 15. Номограмма для расчета зоны защиты одиночного тросового молниеотвода высотой до 30 м

Рис. 16. Номограмма для расчета зоны защиты одиночного тросового молниеотвода высотой от 30 до 100 м

Высота молниеотвода h , определенная по номограмме (рис. ), сравнивается с критической высотой

при h < h кр высота молниеотвода выбирается равной h кр . Методика выбора тросовой защиты исходит из зависимости вероятности прорыва молнии от угла защиты троса (a ) и высоты опор ВЛ. Соответствие между изложенной здесь и в разделе грозозащиты ВЛ методикой устанавливается соотношением tg a = r x / h a .

4. Построение зоны защиты двух параллельных тросовых молниеотводов представлено на рис. и . Внешние области зоны защиты определяются как для одиночного тросового молниеотвода при h > 30 м и усекаются на расстоянии D h от вершины. Вертикальное сечение зоны защиты между двумя тросовыми молниеотводами ограничивается дугой окружности, проходящей через молниеотводы и среднюю точку между молниеотводами O , находящуюся на высоте

(11)

где a - расстояние между молниеотводами;

Рис. 17. Зона защиты двух тросовых молниеотводов 1 и 2 высотой до 30 м:

I - горизонтальное сечение на уровне h x ; II - вертикальное сечение зоны защиты

Рис. 18. Зона защиты двух тросовых молниеотводов высотой более 30 м

Р = 1 при h £ 30 м; 19 . Вокруг молниеотвода 1 большей высоты строится зона защиты, как для одиночного молниеотвода. Далее через вершину молниеотвода 2 меньшей высоты проводится горизонтальная линия до пересечения с зоной защиты молниеотвода 1. Принимая эту точку пересечения за вершину некоторого фиктивного молниеотвода 3 той же высоты, что и меньший молниеотвод, строится зона защиты для двух молниеотводов 2 и 3, очертания которой ограничивают внутренний участок суммарной зоны защиты.

Рис. 19. Зона защиты двух молниеотводов разной высоты:

1, 2 - молниеотводы; 3 - вершина фиктивного молниеотвода

Для стержневых молниеотводов высотой h > 60 м и тросовых h > 30 м зона защиты у их вершины усекается на расстоянии D h от вершины конкретно для каждого из молниеотводов и в соответствии с их типом.

Суммарная зона защиты тросового и стержневого молниеотводов определяется наложением их зон. Так же строится конфигурация зоны защиты у конца тросового молниеотвода. При этом конец троса следует рассматривать как стержневой молниеотвод соответствующей высоты.

Зоны защиты с вероятностью прорыва не более 10 -2 предназначены для открытых распределительных устройств станций и подстанций, а также для подсобных сооружений, нуждающихся в молниезащите. При этом вводы аппаратов и шинопроводы должны находиться по возможности в глубине зоны защиты, так как поражение их молнией представляет наибольшую опасность.

Зоны защиты с вероятностью прорыва не более 10 -3 предназначены для участков шинопроводов высокой ответственности, которые вследствие их большой высоты или длины могут подвергаться частым ударам молнии.

Надежность защиты повышается при размещении объектов во внутренней части зоны защиты многократных молниеотводов.

Вследствие вероятностного характера прорывов молнии выполнение молниезащиты, полностью исключающей поражение защищаемых объектов, не всегда целесообразно, а в ряде случаев технически не осуществимо. Оптимальная надежность молниезащиты определяется на основе сопоставления стоимости молниезащиты и возможного ущерба от поражения молнией.

Надежность молниезащиты характеризуется числом b прорывов молнии в год на защищаемое сооружение или числом лет, за которое ожидается один прорыв молнии в зону защиты

b = ψ · N ,

где ψ - вероятность прорыва в зону защиты (10 -2 или 10 -3 соответственно зоне);

N - суммарное число ударов в год в молниеотвод и защищаемое сооружение.

Ожидаемое число ударов молнии и год в одиночное возвышающееся сооружение (в том числе стержневой молниеотвод) высотой h метров:

N = п T π R 2 10 -6 , (12)

где n = 0,06 - число ударов молнии в землю площадью 1 км 2 на 1 ч грозы, ;

T - средняя интенсивность грозовой деятельности для данной местности, ч.

R = 3,5 · h - эквивалентный радиус окружности, описывающей площадь, с которой сооружение «собирает» молнии, м.

Число ударов молнии в год в группу возвышающихся сооружений (в том числе группу стержневых молниеотводов):

Т = nTS · 10 -6 , (13)

где S - площадь, ограниченная дугами окружностей, описанных радиусом R вокруг каждого молниеотвода, м 2 .

Число ударов в год в протяженное возвышающееся сооружение (в том числе тросовый молниеотвод) высотой h и длиной l , (м):

N = 2 nTlR · 10 -6 , (14)

где R = 3,5 h .

Число ударов в сооружение длиной l (м), шириной m (м) и высотой h (м) определяется по формуле (), где

S = (l + 7 h )(m + 7 h ). (15)

Защитное действие молниеотвода основано на "свойстве молнии с большей вероятностью поражать более высокие и хорошо заземленные предметы по сравнению с расположенными рядом объектами меньшей высоты. Поэтому на молниеотвод, возвышающийся над защищаемым объектом, возлагается функция перехвата молний, которые в отсутствие молниеотвода поразили бы объект. Количественно защитное действие молниеотвода определяется через вероятность прорыва - отношение числа ударов молнии в защищенный объект (числа прорывов) к общему числу ударов в молниеотвод и объект.

Согласно принятой расчетной модели невозможно создать идеальную защиту от прямых ударов молнии, полностью исключающую прорывы на защищаемый объект. Однако на практике осуществимо взаимное расположение объекта и молниеотвода, обеспечивающее низкую вероятность прорыва, например 0,1 и 0,01, что соответствует уменьшению числа поражений объекта примерно в 10 и 100 раз по сравнению с объектом, где отсутствует молниеотвод. Для большинства современных объектов при таких уровнях защиты обеспечивается малое количество прорывов за весь срок их службы.

Рис. 11.22. Устройство молниеотвода.

Опоры воздушных ЛС защищают от разрушений при прямых ударах молнии стержневыми молниеотводами, которые устанавливают на вводных, кабельных, контрольных, разрезных, переходных опорах, а также на опорах, заменяемых вследствие повреждения грозовыми разрядами. Для молниеотвода ис­пользуют стальную линейную проволоку диаметром 4 ... 5 мм, нижний конец которой отводится. Этот отвод называют заземлителем. Длина отвода проволоки заземлителя (рис. 11.22) зависит от характера грунта и может быть равна 1 ... 12 м. Глубина залегания заземлителя равна 0,10 м. Чем больше удельное сопротивление грунта, тем больше должна быть длина отвода заземлителя. На промежуточных и угловых опорах обычно не делают отвода, а доводят проволоки до комля столба.

Опоры, на которых установлены искровые или газонаполненные разрядники, также защищаются молниеотводами. По условиям техники безопасности на опорах, имеющих пересечение или сближение с ВВЛ, на высоте 30 см от земли на молниеотводе делается разрыв, создающий искровой промежуток длиной 50 мм.

Эффективность молниеотвода тем больше, чем выше он рас­положен. Зона защитного действия молниеотвода определяется примерно по формуле S=πh2, где h - высота молниеотвода.

Грозозащи́тный трос - заземлённый протяжённый молниеотвод, натянутый вдоль воздушной линии электропередачи над проводами.

В зависимости от расположения, количества проводов на опорах ВЛ, сопротивления грунта, класса напряжения ВЛ, необходимой степени грозозащиты монтируют один или несколько тросов. Высота подвеса грозозащитных тросов определяется в зависимости от угла защиты, то есть угла между вертикалью, проходящей через трос, и линией, соединяющей трос с крайним проводом, который может изменяться в широких пределах и даже быть отрицательным.

На ВЛ напряжением до 20 кВ грозозащитные тросы обычно не применяются. ВЛ 110-220 кВ на деревянных опорах и ВЛ 35 кВ (независимо от материала опор) чаще всего защищают тросом только подходы к подстанциям. Линии 110 кВ и выше на металлических и железобетонных опорах защищают тросом на всём протяжении.

В качестве грозозащитных тросов применяются стальные канаты или иногда - сталеалюминиевые провода со стальным сердечником увеличенного сечения. Стальные канаты условно обозначают буквой С и цифрами, указывающими площадь их сечения (например, С-35).

Рис. 21.Определение на модели зоны защиты стержневого молниеотвода

Рис. 22. Зона 100%-ного поражения стержневого молниеотвода

Рис. 23. Зона защиты одиночного стержневого молниеотвода высотой до 60 м :
А - высота молниеотвода; hx - высота точки на границе защищаемой зоны: h& -h-hx - активная высота молниеотвода

Эта зона получила название зоны 100%-ного поражения стержневого молниеотвода. Во-вторых, вокруг молниеотвода высотой h имеется зона, не поражаемая разрядами. Эта зона защищается молниеотводом h. Минимальное расстояние от вертикали ВС, равное г0=3,5/г, и является радиусом зоны защиты молниеотвода на уровне земли.
Радиус зоны защиты на любой высоте молниеотводом h определяется также опытами в лаборатории с помощью стержня высотой hx (см. рис. 21), имитирующего защищаемый объект и находящегося в одной плоскости с электродом А и молниеотводом h. Они перемещаются относительно друг друга. При различных их расположениях производится определенное количество разрядов.
Затем находится максимальное расстояние гх между стержнем высотой hx и молниеотводом высотой h, при котором стержень не поражается разрядом. Это расстояние гх является радиусом зоны защиты молниеотвода на высоте hx.
Определенная таким образом зона защиты молниеотвода высотой h представляет собой «шатер» (рис. 23), радиус гх, м, которого «Руководящие указания по расчету зон защиты стержневых и тросовых молниеотводов» для молниеотводов высотой до 60 м рекомендуют рассчитывать
по формуле

Основой тросового молниеотвода, как это следует из названия, составляет оцинкованный металлический (как правило, используется сталь) трос. При этом рекомендуется, чтобы площадь его сечения равнялась не меньше 35 кв. мм.

Типы и особенности

Тросовые молниеотводы используют там, где другие варианты достаточно сложны в монтаже, например, на протяженных крышах и высоковольтных линиях. Впрочем, иногда их размещают и на небольших коттеджах.

Одним из недостатков тросового молниеотвода является то, что трос заметен на кровле, но при желании его можно замаскировать. В некоторых ситуациях тросовые молниеотводы допустимо размешать не на самом защищаемом объекте, а вблизи него.

Тросовая молниезащита бывает двух типов:

Для одиночной достаточно всего двух мачт, между которыми натянут трос. И у каждой мачты при этом есть связь со своим отдельным токоотводом, заземлителем и молниеприемником.

В определенных случаях на здании устанавливают сразу четыре мачты. Их соединяют двумя тросами, причем так, чтобы они располагались параллельно друг другу на одной высоте.

При ударе молнии они действуют совместно как единое целое - это и есть двойной тросовый громоотвод.

Нюансы расчета

Проектирование тросового молниеотвода, как и его монтаж, в большинстве случаев является довольно сложной задачей, которая требует обращения к профессионалам.

Еще на этапе проектирования обязательно нужно провести - то есть определить конкретную площадь действия и другие параметры.

Расчет ведется по достаточно сложным формулам, в которых должны быть учтены, в частности, следующие показатели:

• высота опоры троса;
• ширина и длина зоны тросового молниеотвода (как на уровне сооружения, так и на уровне земли);
• ожидаемое поражение количеств молнией в год.

Сам монтаж должен строго соответствовать правилам устройства электроустановок (ПУЭ), и поэтому имеет немало тонкостей, о которых неподготовленный человек может не знать.

Монтаж

Тросы соединяют с мачтами и токоотводами болтовыми зажимами. Необходимо по два таких зажима на каждое соединения. Если крыша отделана возгорающимися материалами (пластик, дерево и т. д), то тросы должны находиться на расстоянии 10-15 сантиметров от поверхности.

Наращивание троса возможно лишь путем счаливания с длиной перехлеста не мене полутора метров. Для того чтобы предохранить трос от пережигания током молнии и сделать более надежным заземление опор, используется подвесной изолятор с так называемым искровым промежутком.

Кроме того, некоторые элементы будущей молниезащиты следует соединять сваркой, и сечение сварного шва должно быть хотя бы в три раза выше номинального сечения троса.

Нежелательно, чтобы пролеты были более 15 метров, во избежание этого рекомендовано устанавливать дополнительные опоры. Опоры тросового молниеотвода должны быть оборудованы небольшим проволочным кольцом, через которое и будет проходить трос.

Опоры и мачты должны быть достаточно крепки, чтобы выдерживать вес конструкции при сильных порывах ветра. Стоит также помнить, что чем меньше будет угол между воображаемой вертикалью, проходящей через трос, и линией, соединяющей трос с крайним проводом (это называется защитным углом, и его величина, согласно стандартам, должна равняться 20-30 градусам), тем эффективней будет тросовый молниеприемник.

Сравнение с другими вариантами

Помимо тросовой, существует также стержневая и сетчатая молниезащита. Сетчатая - самая сложная по исполнению, а стержневая, как и тросовая, довольна проста по конструкции. Отличительной особенностью стержневой системы является наличие вертикального штыря, который и принимает на себя удар молнии.

Практика показывает, что защищают гораздо меньшую площадь, чем тросовые, и поэтому многие останавливаются именно на втором варианте из этих двух. Он является компромиссом между обычным штырем (мачтой) и сеткой.

В конечном счете, выбор той или иной молниезащиты будет зависеть от специфики здания или сооружения, состояния электроприборов, типа заземления электрической сети, частоты гроз в конкретной климатической зоне.