9.5. Защита от прямых ударов молнии

Защита от прямых уларов молнии осу­ществляется с помощью молниеотводов. Молниеотвод представляет собой возвыша­ющееся над защищаемым объектом уст­ройство, через которое ток молнии, минуя защищаемый объект, отводится в землю.

Защитное действие молниеотводов основано на том, что во время лндерной стадии молнии на вершине молниеотвода скапливаются заряды, и наибольшие напря­женности электрического поля создаются на пути между развивающимся лидером и вершиной молниеотвода.

Возникновение и развитие с молниеот­вода встречного лидера еще более усили­вает напряженность 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 поражение его мол­нией маловероятно.

Основными действующими в России нормативными документами по защите здании, сооружений и инженерных комму­никаций от прямых ударов молнии явля­ются [17, 18].

Необходимым условием надежной защиты является также низкое сопротивле­ние заземления молниеотвода

Молниеотводы по типу молниеприемников разделяются на стержневые и тросо­вые. Стрежневые 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.

Защитное действие молниеотвода харак­теризуется его зоной защиты, т.е. про­странством вблизи молниеотвода, вероят­ность попадания молнии в которое не пре­вышает определенного достаточно малого значения, а также значением сопротивления заземления и конструкцией заземлителя.

Стандартной зоной защиты одиночного стержневого молниеотвода высотой h явля­ется круговой конус высотой , вер­шина которого совпадает с вертикальной осью молниеотвода (рис. 9.20). Габариты зоны определяются двумя параметрами:

Рис. 9.20. Зона защиты одиночного стержневого молниеотвода

высотой конуса и радиусом конуса на уровне земли.

Формулы для расчета зон защиты оди­ночного стержневого молниеотвода высотой до 150 м приведены в табл. 9.4 Для зоны защиты требуемой надежности (рис. 9.20) радиус горизонтального сечения , на высотеопределяется по формуле

(9.3)

Стандартные зоны защиты одиночного тросового молниеотвода высотой h ограни­чены симметричными двускатными поверх­ностями, образующими в вертикальном сечении равнобедренный треугольник с вершиной на высоте и основанием на уровне земли(рис. 9.21).

Формулы для расчета зон защиты одиночного тросового молниеотвода высотой до 150 м приведены в табл. 9.5. Здесь и далее под h понимается минимальная высота троса над уровнем земли (с учетом провеса).

Полуширина зоны зашиты требуемой надежности (рис. 9.21) на высотеот поверхности земли определяется выраже­нием (9.3):

Таблица 9.4. Расчет зоны защиты одиночного стержневого молниеотвода

Надежность защиты	Высота молниеотвода h, м	Высота конуса , м	Радиус конуса , м
0,9	0-100 100-150	0,85 h 0,85 h	1,2 h [1,2-10-3(h-100)]h
0,99	0-30 30-100 100-150	0,8 h 0,8 h [0,8-10-3(h-100)]h	0,8 h [0,8-1,43∙10-3(h-30)]h 0,7 h
0,999	0-30 30-100 100-150	0,7 h [0,7-7,14∙10-3(h-30)]h [0,65-10-3(h-100)]h	0,6 h [0,6-1,43∙10-3(h-30)]h [0,5-2∙10-3(h-100)]h

Рис. 9. 1. Зона защиты одиночного тросового молниеотвода:

L — расстояние между точками подвеса тросов

При необходимости расширить защища­емый объем к горцам зоны защиты собст­венно тросового молниеотвода могут добав­ляться зоны зашиты несущих опор, которые рассчитываются по формулам одиночных стержневых молниеотводов, представлен­ным в табл. 9.4. В случае больших провесов тросов, например, у ВЛ, рекомендуется рассчитывать обеспечиваемую вероятность прорыва молнии программными методами, поскольку построение зон защиты по мини-

Таблица 9.5. Параметры зоны защиты одиночного тросового молниеотвода

Надежность защиты	Высота молниеотвода h, м	Высота конуса , м	Радиус конуса , м
0,9	0-150	0,87 h	1,5 h
0,99	0-30 30-100 100-150	0,8 h 0,8 h 0,8 h	0,95 h [0,95-7,14∙10-4(h-30)]h [0,9-10-3(h-100)]h
0,999	0-30 30-100 100-150	0,75 h [0,75-4,28∙10-4(h-30)]h [0,72-10-3(h-100)]h	0,7 h [0,7-1,43∙10-3(h-30)]h [0,6-10-3(h-100)]h

мальной высоте троса в пролете может при­вести к неоправданным запасам.

Молниеотвод считается двойным стерж­невым, когда расстояние между стержне­выми молниеприемниками L не превышает предельного значения L_max. В противном случае оба молниеотвода рассматриваются как одиночные.

Конфигурация вертикальных и горизон­тальных сечений стандартных зон зашиты двойного стержневого молниеотвода (высо­той h и расстоянием L между молниеотво­дами) представлена на рис. 9.22.

Рис. 9.22. Зона защиты двойного стержневого молниеотвода

Построе­ние внешних областей зон двойного мол­ниеотвода (полуконусов с габаритами ,) производится по формулам табл. 9.4 для одиночных стержневых молниеотводов.

Размеры внутренних областей опреде­ляются параметрами ипервый из которых задает максимальную высоту зоны непосредственно у молниеотводов, а вто­рой — минимальную высоту зоны по сере­дине между молниеотводами. При расстоя­нии между молниеотводами граница зоны не имеет провеса (). Для расстояний высота определяется по выражению

Входящие в него предельные расстояния ивычисляются по эмпирическим формулам табл. 9.6, пригодным для молниеотводов высотой до 150 м.

максимальная полуширина зоны в горизонтальном сечении на высоте h_x:

длина горизонтального сечения на, высоте :

причем при ,;

ширина горизонтального сечения в центре между молниеотводами на высоте :

Таблица 9.6. Параметры зоны защиты двойного стержневого молниеотвода

Надежность защиты	Высота молниеотвода h, м	Высота конуса , м	Радиус конуса , м
0,9	0-30 30-100 100-150	5,75 h [5,75-3,57∙10-3(h-30)]h 5,5 h	2,5 h 2,5 h 2,5 h
0,99	0-30 30-100 100-150	4,75 h [4,75-3,57∙10-3(h-30)]h 4,5 h	2,25 h [2,25-0,0107(h-30)]h 1,5 h
0,999	0-30 30-100 100-150	4,25 h [4,25-3,57∙10-3(h-30)]h 4,0 h	2,25 h [2,25-0,0107∙10-3(h-30)]h 1,5 h

Молниеотвод считается двойным тросовым, когда расстояние между тросами L не превышает предельного значения . В противном случае оба молниеотвода рассматриваются как одиночные.

Конфигурация вертикальных и горизонтальных сечений стандартных зон защиты двойного тросового молниеотвода (высотой h и расстоянием между тросами L) пре

Размеры внутренних областей определяются максимальной высотой зоны непосредственно у тросов и минимальной высотой зоны посередине между тросами. При расстоянии между тросамиграница зоны не имеет провеса (). Длявысотаопределяется по выражению

Входящие в него предельные расстояния ивычисляются по эмпирическим формулам приведенным в табл. 9.7, пригодным для тросов с высотой подвеса до 150 м.

Рис. 9.23. Зона защиты двойного тросового молниеотвода

Длина горизонтального сечения зоны зашиты на высоте h_x определяется по фор­мулам

или

при

Для расширения защищаемого объема на зону двойного тросового молниеотвода может быть наложена зона защиты опор, несущих тросы, которая строится как зона двойного стержневого молниеотвода, если расстояние L между опорами меньше , вычисленного по формулам табл. 9.6. В про­тивном случае опоры рассматриваются как одиночные стержневые молниеотводы.

Когда тросы непараллельны или разно­высоки, либо их высота изменяется по длине пролета, для оценки надежности их защиты следует воспользоваться специаль­ным программным обеспечением. Так же рекомендуется поступать при больших про­весах тросов в пролете, чтобы избежать излишних запасов по надежности защиты.

Таблица 9.7. Параметры зоны защиты двойного тросового молниеотвода

Надежность защиты	Высота молниеотвода h, м	Высота конуса , м	Радиус конуса , м
0,9	0-150	6,0 h	3,0 h
0,99	0-30 30-100 100-150	5,0 h 5,0 h [5,0-5∙10-3(h-100)]h	2,5 h [2,5-7,14∙10-3(h-30)]h [2,0-5∙10-3(h-100)]h
0,999	0-30 30-100 100-150	4,75 h [4,75-3,57∙10-3(h-30)]h [4,5-5∙10-3(h-100)]h	2,25 h [2,25-3,57∙10-3(h-30)]h [2,0-5∙10-3(h-100)]h

Воздушные линии электропередачи ежегодно подвергаются десяткам ударов молнии в каждые 100 км линии. Поражение молнией фазного провода, сопровождающееся прохождением большого тока, создает на проводе такое высокое импульсное напряжение, что практически невозможно создать изоляцию, которая могла бы его выдержать. Поэтому в большинстве случаев линии на металлических и железобетонных опорах номинальным напряжением 110 кВ и выше имеют один или два заземленных троса, подвешиваемых выше фазных проводов и воспринимающих на себя удар молнии.

Вероятность прорыва молнии через тросовую защиту, т.е. поражения фазного провода, можно оценить в соответствии с опытом эксплуатации по эмпирической формуле

где - высота опоры, м;- угол защиты, образованный вертикалью, проходящей через трос, и прямой, соединяющей трос с проводом.

Для ВЛ 110-750 кВ при положительных углах защиты троса (трос расположен ближе к оси опоры, чем провод) вероятность порыва молнии на провода рекомендуется определять по эмпирической формуле

,

где

;

; ,

где - номинальное напряжение линии, кВ;- разность высот подвеса проводов и тросов на опоре, м;- смещение троса и провода по горизонтали, м;- высота подвеса троса на опоре, м;- радиус провода (для расщепленной фазы – эквивалентный радиус), м;- средняя высота подвеса провода, м.