Здания и сооружения защищают от прямых ударов молнии различными по конструкции молниеотводами. Но любой из молниеотводов включает в себя четыре основные части: молниеприем-ник, непосредственно воспринимающий удар молнии; токоотвод, соединяющий молниеприемник с заземлителем; заземлитель, через который ток молнии стекает в землю; несущую часть (опору или опоры), предназначенную для закрепления молниеприемника и токоотвода.

В зависимости от конструкции молниеприемника различают стержневые, тросовые, сетчатые и комбинированные молниеотводы. По числу совместно действующих молниеприемников их делят на одиночные, двойные и многократные. Кроме того, по месту расположения молниеотводы бывают отдельно стоящие, изолированные и не изолированные от защищаемого здания.

Защитное действие молниеотвода основано на свойстве молнии поражать наиболее высокие и хорошо заземленные металлические сооружения. Благодаря этому свойству более низкое по высоте защищаемое здание практически не поражается молнией, если оно входит в зону защиты молниеотвода. Зоной защиты молниеотвода называется часть пространства, примыкающая к нему и с достаточной степенью надежности (не менее 95 %) обеспечивающая защиту сооружений от прямых ударов молнии.

Наиболее часто для защиты зданий и сооружений применяют стержневые молниеотводы. Молниеприемник стержневого молниеотвода представляет собой вертикально расположенный стальной стержень любого профиля длиной 2... 15 м и площадью поперечного сечения не менее 100 мм2, укрепленный на опоре, расположенной, как правило, не ближе 5 м от защищаемого объекта. Молниеприемник соединяют с заземлителем токоотводом, выполненным из стальной проволоки диаметром не менее 6 мм, а в случае прокладки токоотвода в земле — не менее 10 мм. При устройстве молниеприемников непосредственно на крыше здания выполняют как минимум два токоотвода, а при ширине крыши более 12м — четыре. Если длина защищаемого объекта более 20 м, то на каждые последующие 20 м длины требуется устанавливать дополнительные токоотводы; при ширине здания до 12м —на обеих сторонах здания. Все соединения (молниеприемник — токоотвод, токоотвод — заземлитель) следует сваривать.

В качестве стержневых молниеотводов необходимо максимально использовать существующие вблизи защищаемого объекта высокие сооружения: водонапорные башни, вытяжные трубы и т. п. Деревья, растущие на расстоянии не более 5 м от зданий III...V степеней огнестойкости, также можно использовать в качестве опоры молниеотвода, если на стене здания напротив дерева на всю высоту стены проложить токоотвод, приварив его к заземлителю молниеотвода.

Тросовые молниеотводы чаще всего применяют для защиты зданий большой длины и высоковольтных линий. Эти молниеотводы изготовляют в виде горизонтальных тросов, закрепленных на опорах, по каждой из которых прокладывают токоотвод. Молниеприемники тросовых молниеотводов выполняют из стального многопроволочного оцинкованного троса сечением не менее 35 мм2.

Следует отметить, что стержневые и тросовые молниеотводы обеспечивают одинаковую степень надежности защиты.

В качестве молниеприемников можно использовать металлическую крышу, заземленную по углам и по периметру не реже чем через каждые 25 м, или наложенную на неметаллическую крышу сетку из стальной проволоки диаметром не менее 6 мм, имеющую площадь ячеек до 150мм2, с узлами, закрепленными сваркой, и заземленную так же, как металлическая крыша. К сетке или токопроводящей кровле присоединяют металлические колпаки над дымовыми и вентиляционными трубами, а в случае отсутствия колпаков — специально наложенные на трубы проволочные кольца.

Пятнадцатый вебинар из серии "Заземление и молниезащита: вопросы и проблемы, возникающие при проектировании"

Как это неудивительно, но тросовый молниеотвод - самый распространенный тип молниеотвода, а его эффективность обследована в наилучшей степени, потому что миллионы километров воздушных линий электропередачи защищены именно тросовыми молниеотводами, одиночными или двойными. Международная организация СИГРЭ в течение многих лет собирает мировой опыт эксплуатации тросовой молниезащиты. Надежность их действия в зависимости от высоты подвеса и угла защиты достоверно установлена по крайней мере до уровня 0,999. Следует отметить, что статистическая методика расчета вероятности прорыва, по которой определялись зоны защиты молниеотводов в национальных нормативах РД 34.21.122-87 и СО-153-34.21.122-2003, в основном калибровалась по опыту эксплуатации грозотросов.

Важным моментом является существенно большая эффективность тросовых молниеотводов по сравнению со стержневыми той же высоты. Если сравнить надежность защиты системы стержневых молниеотводов и грозотросов при равном числе опор, на которых установлены молниеприемники, то различие в числе ожижаемых прорывов молнии к защищаемым объектам окажется, как минимум, в пределах порядка величины.

При прочих равных условиях наибольшая надежность защиты обеспечивается организацией замкнутых тросовых молниеотводов или расположением грозотросов с отрицательными углами защиты. Это позволяет минимизировать высоту подвеса грозотросов и тем самым заметно сократить число ударов молнии в защищаемую территорию, а следовательно, и число опасных электромагнитных воздействий на цепи микроэлектроники, в т.ч. подземные.

Другим принципиальным преимуществом тросовой молниезащиты является возможность установки опор грозотросов за пределами защищаемой территории без сколько-нибудь существенных материальных затрат. Тем самым можно существенно ослабить кондуктивную связь между заземлителями этих опор и контуром заземления защищаемого объекта, что практически полностью ликвидирует проникновение тока молнии в его подземные коммуникации. Наконец, благодаря удалению опор грозотросов от защищаемой территории удается либо полностью подавить формирование скользящих искровых каналов от точки ввода в грунт тока молнии, либо ориентировать их в безопасном для объекта направлении.

Итог - замена стержневых молниеотводов грозотросами в ряде практически значимых ситуаций позволяет одновременно решить проблему электромагнитной совместимости.

Текст вебинара. Страница 1

Быстрая навигация по слайдам:

Примерное время чтения: 60 минут

— Приятно поздравить вас с первым сентября, потому что хоть сегодня и седьмое, но для нас все равно это первое сентября. Я когда готовился к этому семинару, я поймал себя на такой мысли. Вы знаете, что все мы к пожилым годам становимся маленько пижонами, и когда меня спрашивают о моей профессии, я с удовольствием говорю, что специалист по молниезащите, что я занимаюсь ультравысокими напряжениями и это вызывает некое уважение к моей персоне для меня приятной. Но на чем я себя поймал, что сегодня-то оказывается говорить об ультравысоких напряжениях особенно не приходится, потому что те вопросы, которые связаны сегодня с молниезащитой по уровню напряжения опускаются все ниже и ниже и наконец мы дошли до того, что занимаясь молниезащитой, мы начинаем говорить о единицах вольт, потому что главное несчастье, которое несет сегодня молния - это все-таки электромагнитные наводки в цепях управления автоматики, релейные защиты в каналах передачи информации этот вопрос будет важный, самый важный сегодня. И говоря о тросовых молниеотводах, я буду все-таки все время оглядываться на эту самую знаменитую проблему электромагнитной совместимости, потому что она сегодня для специалистов по молниезащите наиболее важная.

— Так вот, если говорить о тросовых молниеотводах, то надо обратиться к нормативному документу СО-153, где написано, что молниеприемники могут быть стержневыми, состоят из натянутых проводов, то бишь тросов и сеток. Так вот стержни проектировщики признают, сетки они тоже почему-то признают. Хотя эффективность этих сеток исключительно мала. А с тросами положение маленько натянутое.

— Почему-то проектировщики не очень любят тросовые молниеотводы, хотя тросовые молниеотводы - это наиболее распространенные молниеотводы в мире, потому что миллионы в буквальном смысле слова миллионы километров линий электропередач защищены тросовыми молниеотводами. И если говорить о том, что мы знаем, о молниеотводах, то больше всего нам известно о том, как ведут себя именно тросовые молниеотводы, как они защищают провода линий электропередачи и вся информация, которая у нас сегодня есть - это информация, которая притянута именно из тросовых молниеотводов. Еще в середине прошлого века два наших крупных специалиста по молниезащите Владимир Владимирович Бургсдорф и Михаил Владимирович Костенко обобщили ту информацию, которая набрала СИГРЭ - это международная комиссия по дальним электрическим сетям и эта самая комиссия обработала данные, которые дают возможность посчитать вероятность прорыва молнии сквозь тросовую молниезащиту. Так вот те расчетные формулы, которые были предложены нашими с вами специалистами Бургсдорфом и Костенко, они фигурируют до сих пор и эти формулы они в двух разных видах. В одном случае логарифм от вероятности прорыва молнии дается в обычной величине, а в другом случае в процентах, только этим и отличаются эти две формулы.

— Так вот если обобщить эти две формулы, то получается вот какая вещь. Получается, что в зависимости от угла защиты вероятность прорыва молнии сильно нарастает, то есть надежность защиты ухудшается, если же угол начать уменьшать и тем более перейти к отрицательным углам защиты, то надежность защиты становится исключительно высокой. Если брать эту теоретическую кривую, то посмотрите, только небольшой кусочек этой кривой дан сплошными линиями. Этот кусочек, который дан сплошными линиями, говорит, что здесь экспериментальных точек достаточно много и здесь можно рассчитывать на то, что данные, которые дают расчетные формулы, они действительно обоснованы большим опытом эксплуатации. Доходит эта сплошная кривая примерно до уровня 10-3, то есть из тысячи молний одна прорывается к защищаемому объекту. Это те предельные значения, которые сегодня можно использовать для тестирования любых расчетных методик, если говорить по совести, то те зоны стержневых молниеотводов, которые вы так любите, и которые приводятся в нормативных документах в РД-34 или в СО-153. Эти самые зоны получены калибровкой тех данных, которые даются тросовыми молниеотводами. Не было бы тросовых молниеотводов, не было бы, откровенно говоря, и зон защиты стержневых молниеотводов. Вот какова сегодня ситуация.

— Но дело не в этом, а в том, что если вы посмотрите на зоны защиты стрежневых молниеотводов. Вот я табличку просто скачал из СО-153. И зоны защиты тросовых молниеотводов, то вы увидите, что размеры этих зон практически одни и те же. Они если и отличаются для тросовых и стержневых молниеотводов, то они отличаются в пределах десятка, полутора десятка процентов. И на этом фоне я сейчас вам скажу такие крамольные слова, что надежность тросовых молниеотводов практически оказывается несоизмеримо выше привычных вам стрежневых молниеотводов. На фоне тех двух таблиц, которые скачены из руководящих указаний - это выглядит, может быть даже дико, но, тем не менее - это голый факт.

— И теперь для того, чтобы этот голый факт продемонстрировать, я хочу показать вам вот какую вещь. У меня есть объект. Объект такой - это большой предположим цех или большой склад размером 100 * 100 метров и высотой 20 метров. Я хочу применить для защиты этого склада стержневые молниеотводы и хочу предложить тросовые молниеотвод. Я беру 4 опоры, ставлю эти 4 опоры по углам складского помещения и смотрю, ставлю на них стержневые молниеприемники. И у меня есть кривая, которая показывает, как в зависимости от высоты стержневых молниеприемников меняется вероятность прорыва молнии. Я буду ориентировать на вероятность прорыва в 0,01, то есть на надежность защиты в 0,99 и смотреть какие стержни мне нужны. Оказывается, что мне нужны стержневые молниеотводы высотой примерно в 40 метров. Но если я возьму эти же самые опоры и натяну по этим опорам по периметру складского помещения трос, то тоже самое надежность защиты в 0,01, я получу при высоте подвеса троса 28 метров. Представляете, разница в 12 метров - это разница не только в деньгах, которая пойдет на стоимость опор.

— Из-за чего? Вот очень важно понять из-за чего это преимущество. Посмотрите, нарисованы примитивные картинки. Стержневой молниеотвод, рядом стоит условно какой-то объект. Эту картинку я уже показывал на каком-то из семинаров. Смотрите, Господь Бог посылает нам молнии с разных сторон. Посмотрим на молнию из точки А и молнию из точки Б. У этих молний разная вероятность прорыва к защищаемому объекту. Из точки А канал идет к объекту первоначально. Из точки Б он идет первоначально к молниеотводу. Разница в этих расстояниях и определяет надежность защиты. Стержневой молниеотвод хорошо защищает объекты только с одной стороны - с тыла. Если же говорить о молниях, которые идут с противоположной стороны, то здесь защита оказывается существенно более слабая и это подтверждается просто разностью одного и другого расстояния. А что теперь будет, если я буду отодвигаться в сторону от объекта или в сторону от молниеотвода? Оказывается, что если я буду отодвигаться от объекта горизонтально в бок, то у меня разность этих самых расстояний уменьшается, и надежность защиты у меня начинает очень сильно падать. А если я буду отодвигаться в сторону от молниеотвода, то разность этих расстояний будет увеличиваться и надежность защиты будет возрастать, так вот тросы хороши тем, что с какой стороны не шла бы молния, в первую очередь на ее пути будет вставать трос. И благодаря такой тросовой молниезащите, которая окружает защищаемую территорию, очень сильно возрастает надежность защиты.

— Этот момент отражен в нормативном документе. В нормативном документе в СО-153-34.21.122 хорошо вам известном есть раздел, в который мало кто из вас лазил - это раздел расчета замкнутого тросового молниеотвода. Смотрите, о чем идет речь. Вот у вас объект, это фронтальная проекция. Наверху стоят опоры и на этих опорах подвешен по внешнему периметру стержневой молниеотвод. Теперь, с какой бы стороны не шла молния: справа, слева, от сюда, от сюда, откуда бы она не шла, она первоначально натыкается на этот самый тросовый молниеотвод. И в результате этого дела очень сильно повышается надежность защиты. Например, если я размещу тросовые молниеотводы с выносом в сторону всего на 2 метра, то посмотрите, надежность защиты в 0,99, когда одна молния из ста только прорывается, обеспечивается для объекта высотой в 20 метров в том случае, когда высота молниеотвода составляет всего меньше 2-х метров над крышей защищаемого объекта. Тросы оказываются чрезвычайно перспективными в этом отношении они не просто перспективны, они еще кроме того почти не повышают высоту здания - это значит, они не стягивают на себя дополнительные молнии. И это значит, что надежность защиты электромагнитных наводок у вас становится более надежной. Вот в чем первое и самое главное преимущество тросовых молниеотводов. Тросовый молниеотводы при высокой надежности защиты обходится малым превышением над защищаемым объектом и это очень хорошее и очень благоприятное качество их, которое вы проектировщики почти не используете.

МИНИСТЕРСТВО ЭНЕРГЕТИКИ И ЭЛЕКТРИФИКАЦИИ CCC Р

ГЛАВНОЕ ТЕХНИЧЕСКОЕ УПРАВЛЕНИЕ ПО ЭКСПЛУАТАЦИИ ЭНЕРГОСИСТЕМ

РУКОВОДЯЩИЕ УКАЗАНИЯ
ПО РАСЧЕТУ ЗОН ЗАЩИТЫ СТЕРЖНЕВЫХ И ТРОСОВЫХ
МОЛНИЕОТВОДОВ

РД 34.21.121

МОСКВА 1974

Составлено ВЭИ, ГНИЭИ, Энергосетьпроектом

УТВЕРЖДАЮ:

Заместитель начальника

Главтехуправления

Ф. СИНЬЧУГОВ

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Защитное действие молниеотводов основано на свойстве молнии с большей вероятностью поражать более высокие и хорошо заземленные металлические предметы по сравнению с рядом стоящими менее высокими. Молниеотвод, принимающий на себя разряд молнии, представляет собой возвышающееся над защищаемым сооружением металлическое устройство, состоящее из молниеприемника, токоотвода и заземлителя. Для защиты электротехнических установок от прямых разрядов молнии рекомендуется применять стержневые и тросовые молниеотводы. Стержневые молниеотводы выполняются в виде вертикальных металлических конструкций, установленных самостоятельно или на каких-либо сооружениях (например порталах, дымовых трубах), а тросовые - в виде горизонтально подвешенных проводов (тросов).

Степень защищенности сооружения молниеотводом определяется вероятностью прорыва молнии к защищаемому сооружению минуя молниеотвод. Вероятность прорыва молнии равна отношению числа разрядов молнии в защищаемое сооружение к общему числу разрядов молнии в молниеотвод и защищаемое сооружение.

Расчет молниезащиты ведется по зонам защиты. Вероятность прорыва молнии к любому объекту, расположенному внутри зоны защиты, не должна превышать допускаемой величины.

Очертания и размеры зоны защиты определяются числом, высотой и взаимным расположением молниеотводов и зависят от допускаемой вероятности прорыва молнии. Зона защиты тем меньше, чем меньшую вероятность прорыва молнии требуется обеспечить. Пространство между молниеотводами защищено более надежно, чем с внешней стороны молниеотводов. Защитное действие молниеотводов снижается с увеличением высоты защищаемого объекта.

Зоны защиты стержневых молниеотводов высотой до 60 м проверены многолетним опытом эксплуатации и обеспечивают достаточную надежность. Зоны защиты стержневых молниеотводов высотой более 60 м по методике настоящих Руководящих указаний определяются с расчетной вероятностью прорыва молний в объект не более 10 -2 , а тросовых молниеотводов - не более 10 -2 и 10 -3 . Указанная расчетная вероятность прорыва молнии установлена на основе лабораторных испытаний на модели, опыта эксплуатации и сведений о развитии разрядов молнии.

ЗОНЫ ЗАЩИТЫ СТЕРЖНЕВЫХ МОЛНИЕОТВОДОВ

1. Зона защиты одиночного стержневого молниеотвода высотой до 60 м имеет форму, показанную на рис. , размеры зоны определяются соотношением

Рис. 1. Зона защиты одиночного стержневого молниеотвода высотой до 60 м:

h - высота молниеотвода; h x - высота точки на границе защищаемой зоны; h a = h - h x - активная высота молниеотвода

Зона защиты одиночного стержневого молниеотвода высотой h от 60 до 250 м усечена на расстоянии D h от вершины (рис. ) и определяется соотношениями

Рис. 2. Зона защиты одиночного стержневого молниеотвода высотой более 60 м:

D h = 0,5(h - 60) при 60 < h £ 100 м; D h = 0,2 · h при h > 100 м

Рис. 3. Зависимость высоты одиночного стержневого молниеотвода высотой до 30 м от радиуса защиты на различных уровнях h x

Рис. 4. Номограмма для расчета зоны защиты одиночного стержневого молниеотвода высотой до 30 м

Для защищаемых объектов высотой 60 - 100 м высота молниеотвода h , определенная по номограмме рис. , сравнивается с критической высотой h кр , определяющей границу усечения зоны защиты,

Рис. 5. Номограмма для расчета зоны защиты одиночного стержневого молниеотвода высотой до 100 м

Вследствие усечения зон защиты при h меньше h кр высота молниеотвода выбирается равной критической.

При высоте молниеотводов h > 100 м построение зоны защиты производится непосредственно по формулам (), () и ().

2. Очертания зоны защиты двух стержневых молниеотводов (двойной молниеотвод) показаны на рис. для h £ 60 м и рис. для 60 £ h £ 250 м. Для каждого из молниеотводов высотой более 60 м зона защиты усекается на расстоянии D h от вершины, как и для одиночного молниеотвода.

Рис. 6. Зона защиты двух равновысоких стержневых молниеотводов высотой до 60 м:

а - расстояние между молниеотводами; в x - наименьшая ширина зоны защиты на уровне h x ; r x - радиус зоны защиты одиночного молниеотвода; R - радиус окружности, проходящей через вершины молниеотводов и точку 0 , находящуюся на уровне h 0

Рис. 7. Зона защиты двух стержневых молниеотводов высотой более 60 м:

D h = 0,5(h - 60) при 60 < h £ 100 м; D h = 0,2 h при h > 100 м

Построение внешней зоны молниеотводов производится аналогично построению зоны одиночного молниеотвода по формулам () или () в зависимости от высоты. Наименьшая ширина зоны защиты в х между молниеотводами на уровне h x определяется по кривым рис. и . Для молниеотводов высотой от 30 до 250 м значение обеих координат необходимо умножить на коэффициент .

Рис. 8. Значения наименьшей ширины зоны защиты в х двух стержневых молниеотводов высотой h £ 30 м для

Рис. 9. Значение наименьшей ширины зоны защиты в х двух стержневых молниеотводов для

Наименьшая высота зоны защиты h 0 для молниеотводов высотой до 30 м равна

(6)

для молниеотводов от 30 до 250 м

(7)

но не больше h кр , определяемой по формуле (), если h ³ 60 м.

3. Зона защиты трех и более молниеотводов значительно превышает сумму зон защиты одиночных молниеотводов.

Построение горизонтальных сечений зоны защиты на уровне h x показано на рис. - на примере трех и четырех стержневых молниеотводов. Размеры в х /2 определяются по кривым рис. и в зависимости от a / h a и высоты молниеотвода. Радиус защиты r x определяется так же, как и для одиночного молниеотвода. При произвольном расположении нескольких молниеотводов их зона защиты может быть определена суммированием зон любых трех соседних молниеотводов (рис. ).

Рис. 10. Зона защиты четырех стержневых молниеотводов одинаковой высоты; горизонтальное сечение зоны защиты на уровне h x

1, 2, 3, 4 - молниеотводы

Рис. 11. Зона защиты трех стержневых молниеотводов одинаковой высоты; горизонтальное сечение зоны защиты на уровне h x

1, 2, 3 - молниеотводы

Рис. 12. Зона защиты четырех стержневых произвольно расположенных молниеотводов одинаковой высоты; горизонтальное сечение зоны защиты на уровне h x

1, 2, 3, 4 - молниеотводы

Часть зоны защиты трех и более молниеотводов высотой выше 60 м, расположенная вне окружностей, проходящих через центры соседних трех молниеотводов, усекается на расстоянии D h от вершины. Часть зоны, расположенная внутри окружностей, не усекается. Величина D h определяется по формулам () и ().

Необходимым условием защищенности всей площади на уровне h x является:

для молниеотводов высотой h £ 30 м: D £ 8 · h a ;

для молниеотводов высотой 30 < h £ 250 м: D £ 8 · h a · p ,

где D - диаметр окружности, проведенной через три смежных молниеотвода.

ЗОНЫ ЗАЩИТЫ ТРОСОВЫХ МОЛНИЕОТВОДОВ

Зона защиты одиночного тросового молниеотвода (горизонтально подвешенного троса) имеет форму, показанную на рис. для молниеотводов высотой до 30 м и на рис. для молниеотводов высотой от 30 до 250 м. Зона защиты на уровне h x ограничивается двумя параллельными молниеотводу линиями, расположенными на расстоянии r x от вертикальной плоскости, проходящей через тросовый молниеотвод. Это расстояние r x , условно называемое по аналогии с одиночным стержневым молниеотводом радиусом защиты, определяются по формулам:

h < 30 м

(8)

для одиночного тросового молниеотвода высотой h от 30 до 250 м

Рис. 13. Зона защиты одиночного тросового молниеотвода высотой до 30 м:

A - горизонтальное сечение зоны защиты на уровне h x ; T - трос

Рис. 14. Зона защиты одиночного тросового молниеотвода высотой более 30 м

Зона защиты тросового молниеотвода высотой 30 < h < 250 м усекается сверху на величину

Рис. 15. Номограмма для расчета зоны защиты одиночного тросового молниеотвода высотой до 30 м

Рис. 16. Номограмма для расчета зоны защиты одиночного тросового молниеотвода высотой от 30 до 100 м

Высота молниеотвода h , определенная по номограмме (рис. ), сравнивается с критической высотой

при h < h кр высота молниеотвода выбирается равной h кр . Методика выбора тросовой защиты исходит из зависимости вероятности прорыва молнии от угла защиты троса (a ) и высоты опор ВЛ. Соответствие между изложенной здесь и в разделе грозозащиты ВЛ методикой устанавливается соотношением tg a = r x / h a .

4. Построение зоны защиты двух параллельных тросовых молниеотводов представлено на рис. и . Внешние области зоны защиты определяются как для одиночного тросового молниеотвода при h > 30 м и усекаются на расстоянии D h от вершины. Вертикальное сечение зоны защиты между двумя тросовыми молниеотводами ограничивается дугой окружности, проходящей через молниеотводы и среднюю точку между молниеотводами O , находящуюся на высоте

(11)

где a - расстояние между молниеотводами;

Рис. 17. Зона защиты двух тросовых молниеотводов 1 и 2 высотой до 30 м:

I - горизонтальное сечение на уровне h x ; II - вертикальное сечение зоны защиты

Рис. 18. Зона защиты двух тросовых молниеотводов высотой более 30 м

Р = 1 при h £ 30 м; 19 . Вокруг молниеотвода 1 большей высоты строится зона защиты, как для одиночного молниеотвода. Далее через вершину молниеотвода 2 меньшей высоты проводится горизонтальная линия до пересечения с зоной защиты молниеотвода 1. Принимая эту точку пересечения за вершину некоторого фиктивного молниеотвода 3 той же высоты, что и меньший молниеотвод, строится зона защиты для двух молниеотводов 2 и 3, очертания которой ограничивают внутренний участок суммарной зоны защиты.

Рис. 19. Зона защиты двух молниеотводов разной высоты:

1, 2 - молниеотводы; 3 - вершина фиктивного молниеотвода

Для стержневых молниеотводов высотой h > 60 м и тросовых h > 30 м зона защиты у их вершины усекается на расстоянии D h от вершины конкретно для каждого из молниеотводов и в соответствии с их типом.

Суммарная зона защиты тросового и стержневого молниеотводов определяется наложением их зон. Так же строится конфигурация зоны защиты у конца тросового молниеотвода. При этом конец троса следует рассматривать как стержневой молниеотвод соответствующей высоты.

Зоны защиты с вероятностью прорыва не более 10 -2 предназначены для открытых распределительных устройств станций и подстанций, а также для подсобных сооружений, нуждающихся в молниезащите. При этом вводы аппаратов и шинопроводы должны находиться по возможности в глубине зоны защиты, так как поражение их молнией представляет наибольшую опасность.

Зоны защиты с вероятностью прорыва не более 10 -3 предназначены для участков шинопроводов высокой ответственности, которые вследствие их большой высоты или длины могут подвергаться частым ударам молнии.

Надежность защиты повышается при размещении объектов во внутренней части зоны защиты многократных молниеотводов.

Вследствие вероятностного характера прорывов молнии выполнение молниезащиты, полностью исключающей поражение защищаемых объектов, не всегда целесообразно, а в ряде случаев технически не осуществимо. Оптимальная надежность молниезащиты определяется на основе сопоставления стоимости молниезащиты и возможного ущерба от поражения молнией.

Надежность молниезащиты характеризуется числом b прорывов молнии в год на защищаемое сооружение или числом лет, за которое ожидается один прорыв молнии в зону защиты

b = ψ · N ,

где ψ - вероятность прорыва в зону защиты (10 -2 или 10 -3 соответственно зоне);

N - суммарное число ударов в год в молниеотвод и защищаемое сооружение.

Ожидаемое число ударов молнии и год в одиночное возвышающееся сооружение (в том числе стержневой молниеотвод) высотой h метров:

N = п T π R 2 10 -6 , (12)

где n = 0,06 - число ударов молнии в землю площадью 1 км 2 на 1 ч грозы, ;

T - средняя интенсивность грозовой деятельности для данной местности, ч.

R = 3,5 · h - эквивалентный радиус окружности, описывающей площадь, с которой сооружение «собирает» молнии, м.

Число ударов молнии в год в группу возвышающихся сооружений (в том числе группу стержневых молниеотводов):

Т = nTS · 10 -6 , (13)

где S - площадь, ограниченная дугами окружностей, описанных радиусом R вокруг каждого молниеотвода, м 2 .

Число ударов в год в протяженное возвышающееся сооружение (в том числе тросовый молниеотвод) высотой h и длиной l , (м):

N = 2 nTlR · 10 -6 , (14)

где R = 3,5 h .

Число ударов в сооружение длиной l (м), шириной m (м) и высотой h (м) определяется по формуле (), где

S = (l + 7 h )(m + 7 h ). (15)

20. Зона защиты двойного тросового молниеотвода показана на рис. 12. Размеры r , h , r определяются по формулам (5) настоящей Инструкции. Остальные габариты зоны защиты определяются по формулам:

При L h h = h, r = r r = r ; (6)

При L > h (7)

Рис 12 Схема зоны защиты двойного тросового молниеотвода:
1 , 2, 3- границы зон защиты на уровнях соответственно земли и высот защищаемого сооружения; 4 - трос

Зона защиты существует при L 3h.

Конструктивное выполнение молниеотводов

Опоры, молниеприемники и токоотводы

21. Опоры молниеотводов следует выполнять из стали любой марки, железобетона или древесины (рис. 13). Металлические трубчатые опоры допускается изготовлять из некондиционных стальных труб. Металлические опоры должны быть предохранены от коррозии. Окрашивать контактные поверхности в соединениях не допускается, деревянные опоры и пасынки должны предохраняться от гниения пропиткой антисептиками.

22. Опоры стержневых молниеотводов необходимо рассчитывать на механическую прочность как свободно стоящие конструкции, а тросовые-с учетом натяжения троса и ветровой нагрузки на трос, без учета динамических усилий от токов молнии в обоих случаях.

23. К верхнему концу опоры / прикрепляется молние-приемник 2, выступающий над опорой не более чем на 1,5 м (см. рис. 13). Молниеприемник соединяется токоотводом 3 с заземлением 4 и крепится к столбу скобами 5. Для больших хранилищ применяются сложные опоры.

Рис 13 Устройство стержневых молниеотводов на деревянных опорах: а - двух; б - одной

Для увеличения срока службы деревянные опоры можно устанавливать на рельсовые или железобетонные приставки.

Размеры деревянных опор

Высота молниеотвода, м...... 9 11 13 14 16 18 20 22
Высота составных деревянных частей опоры м:
верхней а . . . . . . . . . . . . . 6 7 8 9 10 11 12 13
нижней b . . . . . . . . . . . . . 5,5 6,5 7,5 8,5 9,5 10,5 11,5 12,5

24. Использование деревьев в качестве опор для мол-ниеприемников не допускается.

25. Площадь сечения стального молниеприемника стержневого молниеотвода должна быть не менее 100 мм (рис. 14). Длина молниеприемника должна быть не менее 200 мм. Молниеприемники следует защищать от коррозии оцинкованием, лужением или покраской.

Рис. 14. Конструкции молниеприемников из круглой стали (а), стальной проволоки диаметром 2-3 мм (б ), стальной трубы (в ), полосовой стали (г ), угловой стали (д): 1 - токоотвод

26. Молниеприемники тросовых молниеотводов необходимо выполнять из стального многопроводного оцинкованного троса площадью сечения не менее 35 мм .

27. Соединение молниеприемников с токоотводами должно выполняться сваркой, а при невозможности применения сварки - болтовым соединением с переходным электрическим сопротивлением не более 0,05 Ом. Соединение стальной кровли с токоотводами может выполняться зажимами (рис. 15). Площадь контактной поверхности в соединении должна быть не менее удвоенной площади сечения токоотводов.

Рис. 15. Зажим для присоединения плоского (а) и круглого (б) токоотводов к металлической кровле: 1 - токоотвод; 2 - кровля; 3 - свинцовая прокладка; 4 - стальная пластина; 5 -пластина с приваренным токоотводом

_____
*1 Применяются только для углубленных заземлителей и выравнивания потенциалов внутри зданий.

28. Токоотводы, перемычки и заземлители необходимо выполнять 113 фигурной стали с размерами элементов, не менее указанных на стр. 217.

Заземляющие устройства

29. По расположению в грунте и форме электродов заземлители делятся на:

А) углубленные - из полосовой (площадью сечения 40 Х 4 мм) или круглой (диаметром 20 мм) стали, укладываемые на дно котлована в виде протяженных элементов или контуров по периметру фундаментов. В грунтах с электрическим удельным сопротивлением 500 Ом м в качестве углубленных заземлителей может использоваться арматура железобетонных свай и железобетонных фундаментов других видов;

Б) горизонтальные - из полосовой (площадью сечения 40 Х 4 мм) или круглой (диаметром 20 мм) стали, уложенные горизонтально на глубине 0,6-0,8 м от поверхности земли или несколькими лучами, расходящимися из одной точки, к которой присоединяется токоотвод;

В) вертикальные-из стальных, вертикально ввинчиваемых стержней (диаметром 32-56 мм) или забиваемых электродов из угловой (40Х40 мм) стали. Длина ввинчиваемых электродов должна приниматься 3-5 м, забиваемых-2,5-3 м. Верхний конец вертикального заземлителя должен быть заглублен на 0,5-0,6 м от поверхности земли;

Г) комбинированные - вертикальные и горизонтальные, объединенные в общую систему. Присоединение токоотводов следует проводить в середину горизонтальной части комбинированного заземлителя.

В качестве комбинированных следует применять сетки с глубиной заложения 0,5-0,6 м или сетки с вертикальными электродами. Шаг ячеек сетки должен быть не менее 5-6 м;

Д) пластинчатые - для судов с ВМ, корпуса которых изготовлены из непроводящего материала.

30. Все соединения электродов заземлителей между собой и с токоотводами должны проводиться сваркой. Длина сварочного шва должна быть не менее двойной ширины свариваемых полос и не менее 6 диаметров свариваемых круглых проводников,

Болтовой контакт допускается только при устройстве временных заземлителей и в местах соединения между собой отдельных контуров, выполненных в соответствии с п. 11 настоящей Инструкции. Площадь сечения соединительных полос заземлителей должна быть не менее указанной в п. 28 настоящей Инструкции.

31. Проектирование заземлителей должно вестись с учетом неоднородности грунта.

32. Конструкция заземлителей выбирается в зависимости от требуемого импульсного сопротивления с учетом структуры и электрического удельного сопротивления грунта, а также удобства ведения работ по их укладке. Типовые конструкции заземлителей и значения их сопротивления растеканию тока промышленной частоты , Ом, приведены в табл. 1П.

В грунтах с электрическим удельным сопротивлением менее 500 Ом м следует использовать заземлители горизонтального или вертикального типа. При грунтах неоднородной проводимости следует применять горизонтальные заземлители, если электрическое удельное сопротивление верхнего слоя грунта меньше нижнего, и и вертикальные заземлители, если проводимость нижнего слоя лучше, чем верхнего.

33. Каждый заземлитель характеризуется своим импульсным сопротивлением, т. е, сопротивлением растеканию тока молнии R . Импульсное сопротивление заземлителя может существенно отличаться от сопротивления , получаемого обычно принятыми способами. Его величина определяется по формуле:

R = (8)

где - импульсный коэффициент, зависящий от параметров тока молнии, электрического удельного сопротивления грунта и конструкции заземлителя.

Предельные длины горизонтальных заземлителей, гарантирующих 1 при разных удельных сопротивлениях грунта р , приведены ниже.

Таблица 1П

Заземлители большей длины практически не отводят импульсный ток на участке, превышающем l .

Значения импульсного коэффициента при разных удельных сопротивлениях грунта приведены в табл. 2П.

Таблица 2П

Импульсные коэффициенты определены для значений амплитуды тока молнии 60 кА и крутизны 20 кА/мкс.

34. После монтажа заземлителей расчетное сопротивление растеканию должно быть уточнено непосредственным замером. Измерения следует проводить летом в сухую погоду.

Соединение между собой отдельных заземлителей молниеотводов стальной полосой допускается в грунтах с электрическим удельным сопротивлением > 500 Ом м.

Если измеренное сопротивление заземлителей превышает расчетное, то в грунтах с электрическим удельным сопротивлением 500 0м м и более необходимо соединять между собой заземлители молниеприемников соседних хранилищ при расстоянии между ними не более указанных в п. 10 настоящей Инструкции.

Защитное действие молниеотвода основано на "свойстве молнии с большей вероятностью поражать более высокие и хорошо заземленные предметы по сравнению с расположенными рядом объектами меньшей высоты. Поэтому на молниеотвод, возвышающийся над защищаемым объектом, возлагается функция перехвата молний, которые в отсутствие молниеотвода поразили бы объект. Количественно защитное действие молниеотвода определяется через вероятность прорыва - отношение числа ударов молнии в защищенный объект (числа прорывов) к общему числу ударов в молниеотвод и объект.

Согласно принятой расчетной модели невозможно создать идеальную защиту от прямых ударов молнии, полностью исключающую прорывы на защищаемый объект. Однако на практике осуществимо взаимное расположение объекта и молниеотвода, обеспечивающее низкую вероятность прорыва, например 0,1 и 0,01, что соответствует уменьшению числа поражений объекта примерно в 10 и 100 раз по сравнению с объектом, где отсутствует молниеотвод. Для большинства современных объектов при таких уровнях защиты обеспечивается малое количество прорывов за весь срок их службы.

Рис. 11.22. Устройство молниеотвода.

Опоры воздушных ЛС защищают от разрушений при прямых ударах молнии стержневыми молниеотводами, которые устанавливают на вводных, кабельных, контрольных, разрезных, переходных опорах, а также на опорах, заменяемых вследствие повреждения грозовыми разрядами. Для молниеотвода ис­пользуют стальную линейную проволоку диаметром 4 ... 5 мм, нижний конец которой отводится. Этот отвод называют заземлителем. Длина отвода проволоки заземлителя (рис. 11.22) зависит от характера грунта и может быть равна 1 ... 12 м. Глубина залегания заземлителя равна 0,10 м. Чем больше удельное сопротивление грунта, тем больше должна быть длина отвода заземлителя. На промежуточных и угловых опорах обычно не делают отвода, а доводят проволоки до комля столба.

Опоры, на которых установлены искровые или газонаполненные разрядники, также защищаются молниеотводами. По условиям техники безопасности на опорах, имеющих пересечение или сближение с ВВЛ, на высоте 30 см от земли на молниеотводе делается разрыв, создающий искровой промежуток длиной 50 мм.

Эффективность молниеотвода тем больше, чем выше он рас­положен. Зона защитного действия молниеотвода определяется примерно по формуле S=πh2, где h - высота молниеотвода.

Грозозащи́тный трос - заземлённый протяжённый молниеотвод, натянутый вдоль воздушной линии электропередачи над проводами.

В зависимости от расположения, количества проводов на опорах ВЛ, сопротивления грунта, класса напряжения ВЛ, необходимой степени грозозащиты монтируют один или несколько тросов. Высота подвеса грозозащитных тросов определяется в зависимости от угла защиты, то есть угла между вертикалью, проходящей через трос, и линией, соединяющей трос с крайним проводом, который может изменяться в широких пределах и даже быть отрицательным.

На ВЛ напряжением до 20 кВ грозозащитные тросы обычно не применяются. ВЛ 110-220 кВ на деревянных опорах и ВЛ 35 кВ (независимо от материала опор) чаще всего защищают тросом только подходы к подстанциям. Линии 110 кВ и выше на металлических и железобетонных опорах защищают тросом на всём протяжении.

В качестве грозозащитных тросов применяются стальные канаты или иногда - сталеалюминиевые провода со стальным сердечником увеличенного сечения. Стальные канаты условно обозначают буквой С и цифрами, указывающими площадь их сечения (например, С-35).

Рис. 21.Определение на модели зоны защиты стержневого молниеотвода

Рис. 22. Зона 100%-ного поражения стержневого молниеотвода

Рис. 23. Зона защиты одиночного стержневого молниеотвода высотой до 60 м :
А - высота молниеотвода; hx - высота точки на границе защищаемой зоны: h& -h-hx - активная высота молниеотвода

Эта зона получила название зоны 100%-ного поражения стержневого молниеотвода. Во-вторых, вокруг молниеотвода высотой h имеется зона, не поражаемая разрядами. Эта зона защищается молниеотводом h. Минимальное расстояние от вертикали ВС, равное г0=3,5/г, и является радиусом зоны защиты молниеотвода на уровне земли.
Радиус зоны защиты на любой высоте молниеотводом h определяется также опытами в лаборатории с помощью стержня высотой hx (см. рис. 21), имитирующего защищаемый объект и находящегося в одной плоскости с электродом А и молниеотводом h. Они перемещаются относительно друг друга. При различных их расположениях производится определенное количество разрядов.
Затем находится максимальное расстояние гх между стержнем высотой hx и молниеотводом высотой h, при котором стержень не поражается разрядом. Это расстояние гх является радиусом зоны защиты молниеотвода на высоте hx.
Определенная таким образом зона защиты молниеотвода высотой h представляет собой «шатер» (рис. 23), радиус гх, м, которого «Руководящие указания по расчету зон защиты стержневых и тросовых молниеотводов» для молниеотводов высотой до 60 м рекомендуют рассчитывать
по формуле