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 электрода H 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 (рис. 7.12). 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.

Рис. 7.12. Зона защиты одиночного стержневого молниеотвода