Б) Защита от прямых ударов молнии.

Основным средством защиты являются молниеотводы, состоящие из молниеприемника, спуска и заземлителя. По типу молниеприемники разделяют на стержневые и тросовые.

Защитное действие молниеотвода основано на том, что между приемником и лидером молнии создается наиболее сильное электромагнитное поле, в результате чего разряд ориентируется на молниеотвод. Очевидно, что эффективность молниеотвода зависит от исполнения и соединения всех его основных элементов.

Для повышения эффективности молниеотвода может использоваться активный молниеприемник, в который монтируется капсула с радиоактивным веществом, создающим ионизационную зону, куда ориентируется разряд.

Зоной защиты молниеотвода считают область, куда попадание молнии маловероятно, т.е. молниеотвод не может обеспечить 100% защиты.

Зона защиты определяется аппроксимационной формулой вида

.

При построении зоны защиты могут быть использованы упрощенные соотношения

Для высот

а)	б)
Рис.2

При использовании молниеотводов 30 м вводится поправочный коэффициент .

; .

Зона защиты, обеспечиваемая несколькими молниеотводами, с внешней части строится аналогично одиночным, внутри по построению.

Рис. 3

Зона защиты тросового молниеотвода может быть построена подобно зоне стержневого, но, поскольку защищаемый провод находится в верхней части зоны, более удобно использовать понятие «угла защиты» , который не должен превышать .

Несмотря на защиту тросами из-за большой протяженности ЛЭП число отключений довольно значительно (для ЛЭП 110220кв 0,03 на 100 км в год), хотя тросовая защита обеспечивает снижение поражений ЛЭП в 300 раз.

Объект защиты должен располагаться внутри зоны, но быть удаленным от молниеприемника, спуска и заземлителя.

Молниеотвод обладает рассредоточенными , , и наводимое в нем падение напряжения велико.

а)	б)
Рис.4

Для косоугольной формы волны тока молнии максимальный потенциал равен

, где

- амплитуда тока молнии (150кА)

- импульсное сопротивление заземлителя

- индуктивность участка токопровода от заземлителя до рассматриваемой точки

- крутизна тока молнии

Для молниеотводов в виде решеток и отдельных спусков

,

тогда

При =10 ом и =10м

Это напряжение определяет минимальное расстояние между молниеотводом и объектом для предотвращения перекрытия

, принимая

Если объект заглублен в землю около молниеотвода (резервуар)

, ,

Примечание: расчет проведен от точки 0 потенциала, за которую принят заземлитель. На самом деле эта точка находится на удалении от заземлителя, и высокий потенциал возникает уже на нем самом и может привести к перекрытию в самом неожиданном месте.

Задача 2-1. Молния поражает не защищенный тросом провод линии. Определить амплитуду напряжения, действующего на гирлянду изоляторов опоры, ближайшей к месту удара молнии. Волновое сопротивление канала молнии 300 Ом, волновое сопротивление провода с учетом импульсной короны 350 Ом. Ток молнии (статистический) 100 кА.

Решение. Амплитуду волны перенапряжения, распространяющейся по проводу в обе стороны и достигающей гирлянды, получим, считая, что при ударе в провод действительный ток вдвое меньше статистического, а эквивалентное волновое сопротивление двух проводов вдвое меньше сопротивления одного провода:

.

Практически тот же результат можно получить, используя схему замещения по Петерсену, содержащую волновое сопротивление канала молнии и эквивалентное сопротивление двух лучей провода:

где - напряжение падающей волны.

Задача 2-2. Грозовой разряд произошел в столб телеграфной линии, расположенный на удалении 60 м от линии электропередачи напряжением 35 кВ. Зарегистрированная величина тока 60 кА. Определить величину индуктированного перенапряжения на проводах линии и кратность этого перенапряжения, если высота подвеса проводов на опорах 14 м, а стрела провеса 4,5 м.

Решение. Определим среднюю высоту подвеса проводов

.

Величина индуктированных напряжений:

.

Так как индуктированное напряжение можно принять одинаковым для всех трех проводов и учитывая, что оно действует на фазную изоляцию линии, определим кратность перенапряжения по отношению к фазному напряжению

.

Задача 2-3. Стержневой молниеотвод высотой 30 м защищает от прямого поражения молнией цилиндрический бак с горючим, целиком врытый в землю. Определить максимально допустимый диаметр бака.

Решение. В данном частном случае, когда высота защищаемого объекта равна нулю, высота молниеотвода равна его активной части, откуда имеем радиус защиты на уровне бака

.

Приняв минимально допустимое расстояние от молниеотвода до бака равным 5 м, получим допустимый диаметр

.

Расчет наведенного напряжения может производится по схеме замещения

а)	б)
Рис.5

- волновое сопротивление канала молнии ( =300 Ом),

- крутизна тока молнии (кА/мкс)

, где

-индуктивность опоры

- высота опоры [м],

для металлических опор, 250 Ом - для деревянных.

- индуктивность троса

для одиночного троса,

для двойного троса,

-длина пролета [м]

- импульсное сопротивление заземлителя [Ом].

Частота отключений линий с тросами

,

где первое слагаемое учитывает вероятность удара в середине пролета,

-вероятность перехода перекрытия в дугу, второе слагаемое учитывает вероятность удара в опору.

При выполнении молниеотвода все элементы его должны быть проверены на нагрев.

Энергия, которая выделяется при прохождении тока молнии

,

причем в расчет должны быть включены все импульсы тока, а не только первый.

Т.к. фронт молнии очень крутой, то нагревом за это время можно пренебречь

, считая , что

Считая процесс ввиду его кратковременности адиабатическим, т.е. все выделяющееся тепло идет на повышение температуры

,

где -плотность матеиала провода, - средняя удельная теплопроводность, - сечение проводника,

.

Для стали

при

.

Практически берется проводник сечением 50 мм² ( )