Защита от прямых ударов молнии

Защита от прямых ударов молнии осуществляется с помощью молниеотводов. Молниеотвод представляет собой возвышающееся над защищаемым объектом устройство, через которое ток молнии, минуя защищаемый объект, отводится в землю. Молниеотвод состоит из молниеприемника, непосредственно воспринимающего на себя удар молнии, токоотвода и заземлителя.

Защитное действие молниеотводов основано на том, что во время лидерной стадии на вершине молниеотвода скапливаются заряды, и наибольшие напряженности электрического поля создаются на пути между развивающимся лидером и вершиной молниеотводов. Возникновение и развитие с молниеотвода встречного лидера еще более усиливает напряженности поля на этом пути, что окончательно предопределяет удар в молниеотвод. Защищаемый объект, более низкий, чем молниеотвод, будучи расположен поблизости от него, оказывается заэкранированным молниеотводом и встречным лидером и поэтому практически не может быть поражен молнией.

Защитное действие молниеотвода характеризуется его зоной защиты, т. е. пространством вблизи молниеотвода, вероятность попадания молнии в которое не превышает определенного достаточно малого значения.

Молниеотводы по типу молнисприемников разделяются на стержневые и тросовые. Стержневые молниеотводы выполняются в виде вертикально установленных стержней (мачт), соединенных с заземлителем, а тросовые — в виде горизонтально подвешенных проводов. По опорам, к которым крепится трос, прокладываются токоотводы, соединяющие трос с заземлителем.

Открытые распределительные устройства подстанций защищаются стержневыми молниеотводами, а линии электропередачи — тросовыми. Для защиты шинных мостов и гибких связей большой протяженности также могут применяться тросовые молниеотводы.

Необходимым условием надежной защиты является хорошее заземление молниеотвода, так как при ударе молнии в молниеотвод с большим сопротивлением заземления на нем создастся высокое напряжение, способное вызвать пробой с молниеотвода на защищаемый объект.

Зоны защиты молниеотводов высотой /? < 30 м были определены в 1936;1940 Г. Г. А. А. Акопяном (ВЭИ) на основе обширных лабораторных исследований. Надежность их подтверждена длительным опытом эксплуатации. Они вошли как составная часть в ряд нормативных документов. В последующем установленные зоны защиты были распространены на молниеотводы высотой до 100 м, при этом А. А. Акопяном была введена поправка, учитывающая снижение эффективности молниеотводов высотой больше 30 м вследствие боковых ударов молнии, поражающих молниеотводы в точках ниже его вершины. В настоящее время в связи с потребностями практики нормированы зоны защиты молниеотводов высотой до 150 м.

Зона защиты одиночного стержневого молниеотвода высотой /г < 150 м представляет собой круговой конус (рис. 2.10) с вершиной на высоте /г₍₎ < h, сечение которого на высоте /?_х имеет радиус г_х.

Рис. 2.10. Сечение зоны защиты стержневого молниеотвода.

Вероятность прорыва молнии через границу зоны не превышает 0,005 если.

Если допустить вероятность прорыва молнии 0,05, то зона защиты расширяется и.

В ряде случаев такая зона удовлетворяет потребностям практики, так как для объектов высотой до 30 м число разрядов обычно меньше 0,1 в год. Поэтому при вероятности прорыва 0,05 защищаемый объект в среднем будет поражаться не чаще, чем один раз за 200 лет эксплуатации.

Рис. 2.11. Зона защиты двойного стержневого молниеотвода.

Зона защиты двух стержневых молниеотводов, находящихся вблизи друг от друга на расстоянии, меньшем (3−5) /?, расширяется по сравнению с зонами отдельных молниеотводов. Возникает дополнительный объем зоны защиты, обусловленный совместным действием двух молниеотводов. Зона защиты двойного стержневого молниеотвода (рис. 2.11) для вероятности прорыва Р_||р= 0,005:

для вероятности Р"_р= 0,05:

Если расстояние / между молниеотводами превышает 3/? СР_пр = 0,005) или 5Л (Р_пр = 0,05), каждый из молниеотводов следует рассматривать как одиночный.

Несколько близко расположенных молниеотводов (например, три и более) образуют «многократный» молниеотвод. Его зона защиты определяется зонами защиты ближайших молниеотводов. При этом принимается, что внутренняя зона имеет вероятность прорыва такую же, как и зоны взятых попарно молниеотводов.

Для устройства заземлений применяются вертикальные и горизонтальные электроды (заземлители). Для горизонтальных заземлителей используется полосовая сталь шириной 20−40 мм и толщиной не менее 4 мм, а также сталь круглого сечения диаметром не менее 6 мм. В качестве вертикальных заземлителей применяются стальные грубы, стержни и профильная сталь. На подстанциях заземлитель представляет собой сложную систему, состоящую обычно из горизонтальных полос, объединяющих вертикальные электроды и образующих сетку на площади, занимаемой подстанцией. На линиях электропередачи в качестве заземлителя опор могут использоваться их железобетонные фундаменты.

Заземлитель характеризуется значением сопротивления, которое окружающая земля оказывает стекающему с него току. Сопротивление заземлителя зависит от его геометрических размеров и удельного сопротивления грунта р, в котором он находится.

Сопротивление заземления вертикальной трубы или стержня.

сопротивление горизонтальной полосы.

сопротивление железобетонного фундамента 104.

где / — длина трубы или полосы; h_s — глубина залегания полосы, верхнего конца вертикального электрода или нижнего конца фундамента; b — ширина полосы или фундамента; d — диаметр трубы или стержня.

Расчетное значение р определяется, но данным измерений как.

где К — сезонный коэффициент; р_1ПМ — измеренное значение удельного сопротивления грунта. Если измерение проводилось при средней влажности грунта, то К — 1,4. При повышенной влажности земли перед измерением берется К = 2,6.

Для расчета сопротивления заземлителей более сложной конфигурации можно воспользоваться методикой, описанной в [1J.