7.2. Принцип действия 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.

Молниеотводы разделяются главным образом по типу молниеприемников. Основными конструкциями молниеотводов являются 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. В качестве молниеприемников также часто применяют металлические кровли зданий и металлические сетки, уложенные под гидроизоляцией на плоских крышах.

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 создается высокое напряжение, способное вызвать пробой с молниеотвода на защищаемый объект.

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. В результате этих двух явлений молния ориентируется в своем продвижении на возвышающийся 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.

r_x

Рис. 7.10. К определению на модели зоны защиты стержневого молниеотвода

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 сопротивлением заземления и конструкцией заземлителя.

Зоны защиты молниеотводов исследовались в 1936–40 гг. А.А. Акопяном (ВЭИ). В качестве аналога молнии использовался искровой разряд, происходящий под воздействием импульсов 1,5/1000 мкс положительной полярности (хотя молния чаще бывает отрицательной) с максимальным напряжением, близким к 50%-му разрядному значению. Отношение высоты расположения высоковольтного электродаH к высоте модели молниеотвода h принималось при  30 м равным H/h = 20 для стержневых и H/h = 10 для тросовых молниеотводов. В последнем случае условия опытов были более жесткими, поскольку имелось в виду применение тросов для защиты воздушных линий электропередачи, которые достаточно часто поражаются молнией.

Над молниеотводом существует зона, с которой все разряды собирает на себя молниеотвод. Эта зона получила название зоны 100 %-ного поражения молниеотвода. Кроме того, вокруг молниеотвода имеется зона, не поражаемая разрядами. Зона представляла собой для стержневого молниеотвода осесимметричный, а для тросового молниеотвода протяженный «шатер», образующая которого для  м описывается формулой

, (7.6)

где для стержневого молниеотвода и для тросового молниеотвода. Суммарное число ударов в год в молниеотводы при этом можно было оценить по формуле

, (7.7)

где – среднее число ударов молнии в 1 км² поверхности земли за 100 грозовых часов, D_г – среднее число грозовых часов в году, S – площадь зоны 100 %-ного поражения молниеотвода, м². Для стержневого молниеотвода , где – радиус окружности, описывающий площадь, с которой молниеотвод «собирает» молнии, м. Для тросового молниеотвода длиной l, м, , где , м. Для группы стержневых молниеотводов S – площадь, ограниченная дугами окружностей, описанных радиусами вокруг каждого i-го молниеотвода, м².

Рис. 7.11. Определение высоты ориентировки длинной искры построением усредненной траектории многих разрядов

7.3. Практические методы расчета зон защиты молниеотводов

Как уже говорилось, при практических расчетах выбор типа и высоты молниеотводов производится исходя из значений требуемой надежности Р_з. Объект считается защищенным, если совокупность всех его молниеотводов обеспечивает надежность защиты не менее Р_з.

Во всех случаях система защиты от прямых ударов молнии выбирается так, чтобы максимально использовались естественные молниеотводы, а если обеспечиваемая ими защищенность недостаточна – в комбинации со специально установленными молниеотводами.

Если защита объекта обеспечивается простейшими молниеотводами (одиночным стержневым, одиночным тросовым, двойным стержневым, двойным тросовым, замкнутым тросовым), размеры молниеотводов можно определять, пользуясь заданными в инструкции по устройству молниезащиты зонами упрощенной формы. Так в качестве стандартной зоны защиты одиночного стержневого молниеотвода высотой h принимается круговой конус высотой h₀<h, вершина которого совпадает с вертикальной осью молниеотвода. Габариты зоны определяются двумя параметрами: высотой конуса h₀ и радиусом конуса на уровне земли r₀. В «Инструкции по устройству молниезащиты зданий, сооружений и промышленных коммуникаций» от 14.08.2003 г. (СО-153-34.21.122-2003) эти параметры приведены для трех характерных значений надежностей Р_з = 0,9; 0,99; 0,999. С накоплением опыта по молниезащите требования инструкций регулярно корректируются.

В общем случае выбор молниеотводов должен производиться при помощи соответствующих компьютерных программ, способных вычислять зоны защиты или вероятность прорыва молнии в объект (группу объектов) любой конфигурации при произвольном расположении практически любого числа молниеотводов различных типов.

П

Рис. 7.12. Определение положительного и отрицательного угла защиты тросового молниеотвода; А заземленный трос, В фазный провод, Сгирлянда изоляторов

ри проектировании тросовых молниеотводов линий электропередачи часто используется понятие угла защиты (рис. 7.12). Угол считается положительным, когда фазные провода подвешены дальше тросов от оси и потому в какой-то мере открыты для нисходящих молний. Чем меньше горизонтальное смещение провода относительно троса и чем выше подвешен трос, тем меньше . С ростом положительного угла надежность защиты снижается.

На практике широкое распространение получила эмпирическая формула, которая связывает вероятность прорыва молнии к проводам с защитным углом :

, (7.8)

где А = 90 и В = 4 из анализа опыта эксплуатации линий 110–220 кВ; А = 75и В = 3,95 из опыта эксплуатации линий 500 кВ; –угол защиты, градусы; h_оп – высота опоры, м. С ошибкой до 300 % она дает подтвержденные опытом эксплуатации значения вероятности прорыва. К формуле следует относиться с осторожностью, когда дело касается опор выше 50 м при малых положительных и особенно при отрицательных углах защиты. Это связано с тем, что подавляющее большинство эксплуатационных данных относится к линиям высотой до 40 м с положительными углами защиты 20–30°. К тому же лишь малая часть данных, положенных в основу эмпирических формул, является результатом непосредственных измерений. Большинство данных получено из регистрируемого числа грозовых отключений за вычетом расчетного числа обратных перекрытий.

В случае проектирования молниезащиты для обычного объекта возможно определение зон защиты согласно стандарту МЭК при условии, что расчетные требования МЭК оказываются более жесткими, чем требования действующей во время расчетов Инструкции.

Ниже приводятся правила определения зон защиты для объектов высотой до 60 м, изложенные в стандарте МЭК (IEC 61024-1-1). При проектировании может быть выбран любой способ защиты, однако практика показывает целесообразность использования отдельных методов в следующих случаях:

метод защитного угла используется для простых по форме сооружений или для маленьких частей больших сооружений;

метод фиктивной сферы (на основе электрогеометрического метода) подходит для сооружений сложной формы;

применение защитной сетки в качестве молниеприемника целесообразно в общем случае и особенно для защиты поверхностей.

В табл. 7.1 для уровней надежности защиты I–IV приводятся значения углов при вершине зоны защиты, радиусы фиктивной сферы, а также предельно допустимый шаг ячейки сетки.

Таблица 7.1

Параметры для расчета молниеприемников по рекомендациям МЭК

Уровень защиты	Надежность защиты Рз	Радиус фиктивной сферы R, м	Защитный угол при вершине молниеотвода для зданий различной высоты h, м				Шаг ячейки сетки, м
			20	30	45	60
I	0,99	20	25	*	*	*	5
II	0,98	30	35	25	*	*	10
III	0,95	45	45	35	25	*	10
IV	0,85	60	55	45	35	25	20

* В этих случаях применимы только сетки или фиктивные сферы.

Стержневые молниеприемники, мачты и тросы размещаются так, чтобы все части сооружения находились в зоне защиты, образованной под углом к вертикали. Защитный угол выбирается по табл. 7.1, причем h является высотой молниеотвода над поверхностью, которая будет защищена.

Метод защитного угла не используется, если h больше, чем радиус фиктивной сферы для соответствующего уровня защиты.

М

Рис. 7.13. Стержневой молниеотвод на металлической опоре для защиты электростанций и подстанций:

1 – стальная несущая конструкция (токоотвод); 2 –тросостойка; 3 –молниеприемник; 4 – прожекторная площадка; 5 – ограждение площадки; 6 –крепежный элемент лестницы 7

етод фиктивной сферы используется, чтобы определить зону защиты для части или областей сооружения, когда исключено определение зоны защиты по защитному углу.

Объект считается защищенным, если фиктивная сфера, касаясь поверхности молниеотвода и плоскости, на которой тот установлен, не имеет общих точек с защищаемым объектом.

Сетка защищает поверхность, если выполнены следующие условия:

проводники сетки проходят по краю крыши, если крыша выходит за габаритные размеры здания;

проводник сетки проходит по коньку крыши, если наклон крыши превышает 1/10;

боковые поверхности сооружения на уровнях выше, чем радиус фиктивной сферы (см. табл. 7.1), защищены молниеотводами или сеткой;

размеры ячейки сетки не больше приведенных в табл. 7.1;

сетка выполнена таким способом, чтобы ток молнии имел всегда, по крайней мере, два различных пути к заземлителю; никакие металлические части не должны выступать за внешние контуры сетки.

Вопросы для самоконтроля

1. С каким процессом связаны механизмы электризации в грозовом облаке при отрицательных температурах?

2. Заряды какого знака скапливаются, в основном, в нижних слоях грозового облака?

3. Каков механизм развития молнии на ее начальной стадии?

4. Какой процесс называется главным разрядом при развитии молнии?

5. Почему возникает звуковая волна, воспринимаемая как гром?

6. Почему молнию рассматривают как источник тока?

7. Что означает «высота ориентировки молнии»?

8. Какие воздействия на поражаемые объекты оказывают токи молнии?

9. Из каких элементов состоит молниеотвод?

10. На чем основано защитное действие молниеотвода?

11. Что называется зоной защиты молниеотвода?

12. Для чего предназначены молниеприемник, токоотвод и заземлитель молниеотвода?

13. В каких случаях используются стержневые, а в каких – тросовые молниеотводы?

14. В каких случаях целесообразно использовать защитную сетку в качестве молниеприемника молниеотвода?

15. Что характеризует сезонный коэффициент грунта для заземлителя?

16. Почему сопротивление заземления обычно уменьшается при стекании с заземляющего устройства тока молнии?

17. Что называется импульсным коэффициентом заземлителя?

18. Почему защищаемый объект нельзя располагать в непосредственной близости от стержневого молниеотвода?

26. Чем определяется допустимое расстояние между защищаемым объектом и молнией?

Задание на самостоятельную работу.

1. Рассчитать и начертить зону защиты стержневого молниеотвода высотой 40 м на высоте 12 метров.

2. Рассчитать построить геометрически зону защиты двухстержневого молниеотвода с разными высотами – 19 и 26 метров.

МОДУЛЬ 4