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

7.13. Зона защиты двухстержневого молниеотвода

Рис. 7.14. Зона защиты тросового молниеотвода

7.16. Крепление тросов на двухцепных металлических опорах ВЛ 500 кВ

7.17. Двухцепные одностоечные опоры с двумя тросами

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.

При проектировании тросовых молниеотводов линий электропередачи часто используется понятие угла защиты (рис. 7.18). 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
I	0,99			*	*	*
II	0,98				*	*
III	0,95					*
IV	0,85

* 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.

Метод 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.

Возвышающиеся над поверхностью земли объекты вследствие развития с них встречных лидеров собирают удары молнии с площади, превышающей занимаемую ими территорию. Эта площадь определяется линейными размерами объекта и его высотой. Поражаемость таких объектов характеризуется среднегодовым числом ударов молнии в них. Среднегодовое число ударов молнии в сооружение длиной А, шириной В и высотой h (размеры в метрах), размещенной на ровной поверхности земли с однородным грунтом, можно оценить по эмпирической формуле, предложенной с учетом рекомендаций CIGRE В.П. Ларионовым:

, (7.9)

где эквивалентная площадь сооружения .

Поражаемость воздушных линий электропередачи обычно характеризуется числом ударов молнии за 100 грозовых часов в линию длиной 100 км, определяемым по эмпирической формуле

, (7.10)

где W – эффективная ширина воздушной линии, равная расстоянию между двумя тросами или между крайними проводами на бестросовых линиях в метрах.

В (7.9) и (7.10) R_экв – эквивалентное расстояние «стягивания» молний в сооружение или воздушную линию вдоль поверхности земли, м. Зависимость R_экв от высоты h до максимального значения 60 м задана у В.П. Ларионова в табличном виде. В то же время она очень хорошо описывается аналитическим выражением

, (7.11)

где – среднее расстояние ориентировки (средняя дистанция поражения) молнии.

Для воздушной линии электропередачи – средняя высота подвеса троса или, при отсутствии тросов, верхнего провода; h_тр – высота подвеса троса или провода на опоре; f – стрела провеса троса или провода, все в метрах.

Значение можно оценить также по упрощенной формуле

. (7.12)

Годовое число ударов молнии в линию электропередачи длиной l, км, при D_г грозовых часов в году определяется как

. (7.13)

______________________

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?