Двойной тросовый молниеотвод. Защитное действие и зоны защиты молниеотводов Защитное действие стержневых и тросовых молниеотводов

Молниеприемник непосредственно воспринимает прямой удар молнии. Поэтому он должен надежно противостоять механическим и тепловым воздействиям тока и высокотемпературного канала молнии. Несущая конструкция несет на себе молниеприемник и токоотвод, объединяет все элементы молниеотвода в единую, жесткую, механически прочную конструкцию. В электроустановках молниеотводы устанавливаются вблизи токоведущих частей, находящихся под рабочим напряжением. Падение молниеотвода на токоведущие элементы электроустановки вызывает тяжелую аварию. Поэтому несущая конструкция молниеотвода должна иметь высокую механическую прочность, которая исключила бы в эксплуатации случаи падения молниеотвода на оборудование электростанций и подстанций. Молниеотвод должен иметь надёжную связь с землёй с сопротивлением 5-25 Ом растеканию импульсного тока. Защитное свойство стержневых молниеотводов заключается в том, что они ориентируют на себя лидер формирующегося грозового разряда. Разряд происходит обязательно в вершину молниеотвода, если он формируется в некоторой области, расположенной над молниеотводом. Эта область имеет вид расширяющегося вверх конуса и называется зоной 100%-го поражения.

Опытными данными установлено, что высота ориентировки молнии H зависит от высоты молниеотвода h. Для молниеотводов высотой до 30 метров:

а для молниеотводов высотой более 30 метров H=600 м.

где - активная часть молниеотвода, соответствующая его превышению над высотой защищаемого объекта:

Рисунок 1.1 Зона защиты одиночного стержневого молниеотвода: 1 - граница зоны защиты; 2 - сечение зоны защиты на уровне.

Для расчёта радиуса защиты в любой точке защитной зоны, в том числе и на уровне высоты защищаемого объекта, используется формула:

где - поправочный коэффициент, равный 1 для молниеотводов высотой меньше 30 метров и равный для более высоких молниеотводов.

Зоны защиты протяженных объектов в которых используется несколько молниеотводов, целесообразно, чтобы зоны их 100%-го поражения смыкались над объектом или даже перекрывали друг друга, исключая вертикальный прорыв молнии на объект защиты Расстояние (S) между осями молниеотводов должно быть равно или меньше величины, определяемой из зависимости:

Зона защиты двух и четырёх стержневых молниеотводов в плане на уровне высоты защищаемого объекта имеет очертания, приведённые на рисунке 1.3, а, б.

Наименьшая ширина зоны защиты, показанный на чертеже радиус защиты определяется так же, как и для одиночного молниеотвода, а определяется по специальным кривым. На рисунке 1.2 показаны конструкции стержневых молниеотводов. Если у молниеотводах высотой до 30 метров, расположенных на расстоянии, наименьшая ширина зоны защиты равна нулю.

Рисунок 1.2 Конструкции стержневых молниеотводов на железобетонных опорах: а -из вибрированного бетона; б - центрифугированного бетона

Рисунок 1.3 Стержневые молниеотводы на металлических опорах: а - тросовый молниеотвод (несущая конструкция); б - стержневой молниеотвод (несущая конструкция)

На рисунке 1.3 показаны конструкции стержневых молниеотводов на металлических опорах. Радиусы защиты определяются в этом случае так же, как и для одиночных молниеотводов. Размер определяется по кривым для каждой пары молниеотводов. Диагональ четырёхугольника или диаметр окружности, проходящей через вершины треугольника, образованного тремя молниеотводами, по условиям защищённости всей площади должны удовлетворять зависимости:

Для молниеотводов высотой меньше 30 м:

Для молниеотводов высотой более 30 м:

Отдельно стоящие стержневые молниеотводы с металлическими опорами устанавливаются на железобетонных фундаментах. Токоотводамп для таких молниеотводов служат несущие конструкции. На металлических и железобетонных конструкциях ОРУ, как правило, устанавливаются молниеотводы с металлическими несущими частями. Конструкция их крепления определяется особенностями той конструкции ОРУ, к которой крепится стержневой молниеотвод. Обычно конструкция молниеотводов, устанавливаемых на конструкциях ОРУ, представляет собой стальную трубу, нередко состоящую из труб нескольких диаметров. Молниеотводы высотой более 5 м в основании имеют решетчатую конструкцию из угловой стали. Потенциал на молниеотводе в момент разряда определяется зависимостью:

где - импульсное сопротивление заземления молниеотвода 5-25 Ом;

Ток молнии в хорошо заземлённом объекте.

Потенциал на молниеотводе определяется:

где - крутизна фронта волны тока;

• - точка молниеотвода на высоте объекта;
• - удельная индуктивность молниеотвода.

Для расчёта минимального допустимого приближения объекта к молниеотводу можно исходить из зависимости:

где - допустимая импульсная напряжённость электрического поля в воздухе, принимаемая 500 кВ/м.

Руководящие указания по защите от перенапряжений рекомендуют расстояние до молниеотвода принимать равным:

Эта зависимость справедлива при токе молнии, равным 150 кА, крутизне тока 32 кА/мксек и индуктивности молниеотвода 1,5 мкГн/м. Независимо от результатов расчёта, расстояние между объектом и молниеотводом должно быть не менее 6 метров.

Тросовый молниеотвод. Значения коэффициентов k и z берутся в зависимости от допускаемой вероятности прорыва молнии в зону защиты. Вероятность прорыва молнии в зону защиты равна отношению числа разрядов молнии в защищаемое сооружение к общему числу разрядов молнии в молниеотвод и защищаемое сооружение. Если допускается вероятность прорыва молнии в зону защиты 0,01, то коэффициент 1, а при допускаемой вероятности 0,001, т. е. защитные зоны тросовых молниеотводов несколько меньше защитных зон стержневых молниеотводов. Форма зоны защиты двух параллельных тросовых молниеотводов высотой до 30 м. Внешние границы зоны защиты каждого троса определяются так же, как и для одиночного тросового молниеотвода. В зависимости от конструкции опор, могут быть применены один или два троса, наглухо присоединённые к металлической опоре или к заземляющим металлическим спускам деревянных опор. Для предохранения троса от пережога током молнии и контроля заземления опоры крепления троса производится с помощью одного подвесного изолятора, шунтированного искровым промежутком. Эффективность тросовой защиты тем выше, чем меньше угол, образованный вертикалью, проходящей через трос, и линией, соединяющей трос с крайним из проводов. Этот угол называют защитным углом, принимая его величину в пределах

Зона защиты двух тросовых молниеотводов высотой более 30 м. Метод построения зоны защиты для этого случая такой же, как и для тросовых молниеотводов высотой до 30 м, но на расстоянии от вершины зона усекается так же, как у одиночных тросовых молниеотводов. Ширина защитной зоны, исключающей прямое поражение проводов на уровне высоты их подвеса, определяется зависимостью:

Эта зависимость справедлива для высоты подвеса троса 30 м и ниже.

МОЛНИЕОТВОД - устройство для защиты зданий и сооружений от прямых ударов молнии. М. включает в себя четыре основные части: молниеприемник, 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 М.

По числу совместно действующих молниеприемников их делят на одиночные, двойные и многократные.

Кроме того, по месту расположения М. бывают отдельно стоящие, изолированные и не изолированные от защищаемого здания. Защитное действие М. 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 М. Зоной защиты М. 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 М.

Тросовые М. чаще всего применяют для защиты зданий большой длины и высоковольтных линий. Эти М. изготавливают в виде горизонтальных тросов, закрепленных на опорах, по каждой из которых прокладывают токоотвод. Стержневые и тросовые М. 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 150 мм2, с узлами, закрепленными сваркой, и заземленную так же, как металлическая крыша. К сетке или токопроводяшей кровле присоединяют металлические колпаки над дымовыми и вентиляционными трубами, а в случае отсутствия колпаков - специально наложенные на трубы проволочные кольца.

М. стержневой - М. с вертикальным расположением молниеприемника.

М. тросовый (протяженный) - М. с горизонтальным расположением молниеприемника, закрепленного на двух заземленных опорах.

ЗОНЫ ЗАЩИТЫ МОЛНИЕОТВОДОВ

Обычно зону защиты обозначают по максимальной вероятности прорыва, соответствующей ее внешней границе, хотя в глубине зоны вероятность прорыва существенно уменьшается.

Расчетный метод позволяет построить для стержневых и тросовых молниеотводов зону защиты с произвольным значением вероятности прорыва, т.е. для любого молниеотвода (одиночного или двойного) можно построить произвольное количество зон защиты. Однако для большинства народнохозяйственных зданий достаточный уровень защиты можно обеспечить, пользуясь двумя зонами, с вероятностью прорыва 0,1 и 0,01.

В терминах теории надежности вероятность прорыва - это параметр, характеризующий отказ молниеотвода как защитного устройства. При таком подходе двум принятым зонам защиты соответствует степень надежности 0,9 и 0,99. Эта оценка надежности справедлива при расположении объекта вблизи границы зоны защиты, например объекта в виде кольца, соосного со стержневым молниеотводом. У реальных же объектов (обычных зданий) на границе зоны защиты, как правило, расположены лишь верхние элементы, а большая часть объекта помещается в глубине зоны. Оценка надежности зоны защиты по ее внешней границе приводит к чрезмерно заниженным значениям. Поэтому, чтобы учесть существующее на практике взаимное расположение молниеотводов и объектов, зонам защиты А и Б приписана в РД 34.21.122-87 ориентировочная степень надежности 0,995 и 0,95 соответственно.

Одиночный стержневой молниеотвод.

Зона защиты одиночного стержневого молниеотвода высотой h представляет собой круговой конус (рис. П3.1), вершина которого находится на высоте h0

1.1. Зоны защиты одиночных стержневых молниеотводов высотой h? 150 м имеют следующие габаритные размеры.

Зона A: h0 = 0,85h,

r0 = (1,1 - 0,002h)h,

rx = (1,1 - 0,002h)(h - hx/0,85).

Зона Б: h0 = 0,92h;

rx =1,5(h - hx/0,92).

Для зоны Б высота одиночного стержневого молниеотвода при известных значениях h и может быть определена по формуле

h = (rx + 1,63hx)/1,5.

Рис. П3.1. Зона защиты одиночного стержневого молниеотвода:

I - граница зоны защиты на уровне hx, 2 -то же на уровне земли

Одиночный тросовый молниеотвод.

Зона защиты одиночного тросового молниеотвода высотой h? 150 м приведена на рис. П3.5, где h - высота троса в середине пролета. С учетом стрелы провеса троса сечением 35-50 мм2 при известной высоте опор hоп и длине пролета а высота троса (в метрах) определяется:

h = hоп - 2 при а < 120 м;

h = hоп - 3 при 120 < а < 15Ом.

Рис. П3.5. Зона защиты одиночного тросового молниеотвода. Обозначения те же, что и на рис. П3.1

Зоны защиты одиночного тросового молниеотвода имеют следующие габаритные размеры.

Ниже поясняется подход к определению зон защиты молниеотводов, построение которых осуществляется по формулам приложения 3 РД 34.21.122-87.

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.

Существует несколько способов оценки вероятности прорыва, основанных на разных физических представлениях о процессах поражения молнией. В РД 34.21.122-87 использованы результаты расчетов по вероятностной методике, связывающей вероятность поражения молниеотвода и объекта с разбросом траекторий нисходящей молнии без учета вариаций ее токов.

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.

Выше рассматривалось производственное здание высотой 20 м и размерами в плане 100×100 м, расположенное в местности с продолжительностью гроз 40-60 ч в год; если это здание защищено молниеотводами с вероятностью прорыва 0,1, в него можно ожидать не более одного прорыва за 50 лет. При этом не все прорывы в равной степени опасны для защищаемого объекта, например воспламенения возможны при больших токах или переносимых зарядах, которые встречаются не в каждом разряде молнии. Следовательно, на данный объект можно ожидать одно опасное воздействие за срок, заведомо превышающий 50 лет или для большинства промышленных объектов II и III категорий не более одного опасного воздействия за все время их существования. При вероятности прорыва 0,01 в то же здание можно ожидать не более одного прорыва за 500 лет - период, намного превышающий срок службы любого промышленного объекта. Такой высокий уровень защиты оправдан только для объектов I категории, представляющих постоянную угрозу взрыва.

Выполняя серию расчетов вероятности прорыва в окрестности молниеотвода, можно построить поверхность, являющуюся геометрическим местом положения вершин защищаемых объектов, для которых вероятность прорыва - постоянное значение. Эта поверхность является внешней границей пространства, называемого зоной защиты молниеотвода; для одиночного стрежневого молниеотвода эта граница - боковая поверхность кругового конуса, для одиночного троса - двускатная плоская поверхность.

Обычно зону защиты обозначают по максимальной вероятности прорыва, соответствующей ее внешней границе, хотя в глубине зоны вероятность прорыва существенно уменьшается.

Расчетный метод позволяет построить для стержневых и тросовых молниеотводов зону защиты с произвольным значением вероятности прорыва, т.е. для любого молниеотвода (одиночного или двойного) можно построить произвольное количество зон защиты. Однако для большинства народнохозяйственных зданий достаточный уровень защиты можно обеспечить, пользуясь двумя зонами, с вероятностью прорыва 0,1 и 0,01.

В терминах теории надежности вероятность прорыва - это параметр, характеризующий отказ молниеотвода как защитного устройства. При таком подходе двум принятым зонам защиты соответствует степень надежности 0,9 и 0,99. Такая оценка надежности справедлива при расположении объекта вблизи границы зоны защиты, например объекта в виде кольца, соосного со стержневым молниеотводом. У реальных же объектов (обычных зданий) на границе зоны защиты, как правило, расположены лишь верхние элементы, а большая часть объекта помещается в глубине зоны. Оценка надежности зоны защиты по ее внешней границе приводит к чрезмерно заниженным значениям. Поэтому, чтобы учесть существующее на практике взаимное расположение молниеотводов и объектов, зонам защиты А и Б приписана в РД 34.21.122-87 ориентировочная степень надежности 0,995 и 0,95 соответственно.

Рис. 1. Номограммы для определения высоты одиночных (а) и двойных равной высоты (б) молниеотводов в зоне А

Расчетный метод вероятности прорыва разработан только для нисходящих молний, преимущественно поражающих объекты высотой до 150 м. Поэтому в РД 34.21.122 - 87 формулы для построения зон защиты одиночных и многократных стержневых и тросовых молниеотводов ограничены высотой 150 м. На сегодняшний день объем фактических данных о поражаемости нисходящими молниями объектов большей высоты очень мал и в основном относится к Останкинской телевизионной башне (540 м). На основании фоторегистраций можно утверждать, что нисходящие молнии прорываются более чем на 200 м ниже ее вершины и поражают землю на расстоянии около 200 м от основания башни. Если рассматривать Останкинскую телевизионную башню как стержневой молниеотвод, можно заключить, что относительные размеры зон защиты молниеотводов высотой более 150 м редко сокращаются с увеличением высоты молниеотводов. С учетом ограниченности фактических данных о поражаемости сверхвысоких объектов в РД 34.21.122 - 87 включены формулы для построения зон защиты только для стержневых молниеотводов высотой более 150 м.

Рис. 2. Номограммы для определения высоты одиночных (а) и двойных равной высоты (б) молниеотводов в зоне Б

Метод расчета зон защиты от поражений восходящими молниями пока не разработан. Однако по данным наблюдений известно, что восходящие разряды возбуждаются с остроконечных предметов вблизи вершины высоких сооружений и затрудняют развитие других разрядов с более низких уровней. Поэтому для таких высоких объектов, как железобетонные дымовые трубы или башни, предусматривается, прежде всего, защита от механических разрушений бетона при возбуждении восходящих молний, которая осуществляется путем установки стержневых или кольцевых молниеприемников, обеспечивающих максимально возможное по конструктивным соображениям превышение над вершиной объекта (п. 2.31 ).

В этом пособии приведены номограммы для определения высот стержневых С и трассовых Т одиночных и двойных молниеотводов, обеспечивающих зоны защиты А и Б (рис. 1 и 2). Использование этих номограмм, построенных в соответствии с расчетными формулами и обозначениями приложения 3 РД 34.21.122-87, позволяет сократить объем вычислений и упростить выбор средств молниезащиты при проектировании.

Защитное действие молниеотвода основано на том, что молния поражает наиболее высокие и хорошо заземленные металлические сооружения. Следовательно, сооружение не будет поражено молнией, если оно находится в зоне защиты молниеотвода. Зона защиты молниеотвода - часть пространства, примыкающая к молниеотводу, которая обеспечивает защиту сооружения от прямых ударов молнии с достаточной степенью надежности (99%)

Быстрые изменения тока молнии порождают электромагнитную индукцию - наведение потенциалов в незамкнутых металлических контурах, создающее опасность искрения в местах сближения этих контуров. Это называется вторичным проявлением молнии.

Возможен также занос наведенных молнией высоких электрических потенциалов в защищаемое здание по внешним металлическим сооружениям и коммуникациям.

Защита от электростатической индукции достигается путем присоединения металлических корпусов электрооборудования к защитному заземлению или к специальному заземлителю.

Для защиты от заноса высоких потенциалов подземные металлические коммуникации при вводе в защищаемый объект присоединяют к заземлителям защиты от электростатической индукции или электрооборудования.

Молниеотводы состоят из несущей части (опоры), молниеприемника, токоотвода и заземлителя. Существует два типа молниеотводов: стержневой и тросовый. Они могут быть отдельно стоящие, изолированные и не изолированные от защищаемого здания или сооружения (рис. 86, а-в).

молниеотвод: стержневой одиночныймолниеотвод: стержневой двойноймолниеотвод: антенный

Рис. 86. Виды молниеотводов и их защитные зоны:

а - стержневой одиночный; б - стержневой двойной; в - антенный; 1 - молниеприемник; 2 - токоотвод, 3 - заземление

Стержневые молниеотводы представляют собой один, два или больше вертикальных стержней, устанавливаемых на защищаемом сооружении или вблизи него. Тросовые молниеотводы - один или два горизонтальных троса, каждый закрепленный на двух опорах, по которым прокладывают токоотвод, присоединенный к отдельному заземлителю; опоры тросового молниеотвода устанавливают на защищаемом объекте или вблизи него. В качестве молниеприемников используют круглые стальные стержни, трубы, стальной оцинкованный трос и др. Токоотводы выполняют из стали любой марки и профиля сечением не менее 35 мм2. Все части молниеприемников и токоотводов соединяют сваркой.

Заземлители бывают поверхностные, углубленные и комбинированные, изготовленные из стали различного сечения или труб. Поверхностные заземлители (полосовые, горизонтальные) укладывают на глубине 1 м и более от поверхности земли в виде одного или нескольких лучей длиной до 30 м. Углубленные заземлители (стержневые вертикальные) длиной 2-3 м забивают в грунт на глубину 0,7-0,8 м (от верхнего конца заземлителя до поверхности земли).

Сопротивление заземлителя для каждого отдельно стоящего молниеотвода не должно превышать для молниезащиты зданий и сооружений I и II категорий - 10 Ом и III категории - 20 Ом.

4. Заземлители устройство.

Понятие о сопротивлении заземляющего устройства опоры BЛ току молнии. Заземляющим устройством называется конструкция из электропроводящих материалов, которая служит для отвода тока в землю. Ее основными конструктивными элементами являются заземлители и заземляющие проводники. Заземлителем называется проводник (электрод) или совокупность металлических соединенных между собой проводников (электродов), находящихся в соприкосновении с землей. Заземляющим проводником называется проводник, соединяющий заземляемые части с заземлителем. Основная функция, которую выполняет заземляющее устройство опоры BЛ, - отвод в землю тока молнии, т. е. уменьшение возможности (вероятности) обратных перекрытий при ударе молнии в опору и грозозащитный трос. В отличие от обычных перекрытий, вызванных увлажнением или загрязнением изоляции, ток молнии создает на опоре электрический потенциал, намного больший потенциала фазного провода, и, таким образом, перекрытие происходит в обратном направлении. Чем меньше сопротивление заземляющего устройства, тем меньше возможность обратного перекрытия. Сопротивлением заземляющего устройства называется отношение напряжения на заземляющем устройстве к току, стекающему с заземлителя в землю. Сопротивление заземляющего устройства - не единственный параметр, влияющий на вероятность обратных перекрытий. Существенное влияние также оказывают: длина гирлянды изоляторов; высота грозозащитного троса и фазного провода; расстояние между тросом и проводом и др. С увеличением длины гирлянды, например, возрастает электрическая прочность соответствующего воздушного промежутка и тем самым уменьшается вероятность обратного перекрытия. Так должно происходить с увеличением класса напряжения линии. Однако для линий более высокого напряжения увеличивается и высота опор, что приводит к росту числа ударов молнии в опоры и в грозозащитный трос. Возрастает также индуктивность опоры, которая увеличивает вероятность обратных перекрытий. Ток молнии при ударе в опору растекается по грозозащитному тросу. Ток в тросе индуктирует токи в проводе и опоре, что приводит в конечном счете к увеличению напряжения, приложенного к изоляционному промежутку провод - опора. Таким образом, вероятность обратного перекрытия при ударе молнии в опору - сложная функциональная величина, зависящая от ряда параметров. Если все параметры, кроме сопротивления заземляющего устройства, считать постоянными, т. е. задаться определенным типом опоры, то можно рассчитать кривую вероятности обратных перекрытий. Ниже приводиться исходные данные для расчета вероятности обратных перекрытий при ударе молнии в промежуточную опору типа П220-2Т: Максимальное рабочее напряжение, кВ 252 50%-ное разрядное напряжение положительной полярности: импульсная прочность воздушного промежутка, соответствующая строительной высоте гирлянды изоляторов, кВ 1248 Высота троса на опоре, м 42 Высота верхнего провода, м 33 Средняя длина пролета, 400 Радиус троса, 0,007 Радиус провода, м 0,012 Расстояние между тросом и верхним проводом по горизонтали, 3 Расстояние между тросами, м 1 Стрела провеса троса, 13 Стрела провеса провода, м 15 Эквивалентный радиус опоры, м 3,2 По этим данным выполнены расчеты зависимости вероятности обратного перекрытия от значения сопротивления заземляющего устройства. Эта зависимость показана на рис. 1. Из рисунка видно, что до сопротивления R = 300 Ом кривая поднимается довольно круто, затем плавно возрастает до R = 1000 Ом. В дальнейшем вероятность обратных перекрытий медленно приближается к уровню 0,3, не превышая этого значения. Численное значение вероятности 0,3 означает, что примерно из 10 ударов молнии в трех случаях будет наблюдаться обратное перекрытие. Для других типов опор этот предельный уровень может быть другим, важно лишь подчеркнуть: если в силу особенностей грунта (песок, скала) сопротивление заземляющего устройства оказывается достаточно большим, например 5000Ом, то снижение сопротивления до 1000 Ом уже не имеет смысла. Таким образом, вероятность обратных перекрытий и связанное с ней число грозовых отключений зависят от сопротивления заземляющего устройства опоры. Эта зависимость проявляется в большей степени при небольших сопротивлениях заземления опоры: от единиц до сотен Ом. Заземляющее устройство опоры линии электропередачи представляет собой электрическую цепь с распределенными параметрами: сопротивлением и индуктивностью металла, проводимостью и емкостью грунта. Если на вход такой цепи подать синусоидальное напряжение (или ток) достаточно большой частоты, то на различных расстояниях от источника отношение напряжения к силе тока, т. е. сопротивление в данной точке, будет различным. Рис. 1. Зависимость вероятности обратных перекрытий от сопротивления заземляющего устройства опоры Еще более сложный вид зависимости между напряжением и током наблюдается при воздействии на заземлитель импульса тока молнии. Импульс характеризуется двумя параметрами: наибольшим значением (амплитудой) тока и временем нарастания тока (длительностью фронта). При малых амплитудах в грунте не происходит искрообразования. Однако большие токи молнии ведут к электрическому пробою грунта, который в области, прилегающей к заземлителю, приобретает нулевое электрическое сопротивление: заземлитель как бы увеличивается в размерах. Для полного анализа процессов в заземляющем устройстве при воздействии тока молнии необходим учет таких факторов, как длина заземлителя, удельное сопротивление грунта, амплитуда и длительность фронта импульса тока молнии, момент наблюдения. Все эти факторы учитываются импульсными коэффициентами, которые обозначают аи. Сопротивление естественных и искусственных заземлителей. Естественными заземлителями называются находящиеся в соприкосновении с землей электропроводящие части коммуникаций, зданий и сооружений производственного или иного назначения, используемые для заземления. Искусственным заземлителем называется заземлитель, специально выполняемый для заземления. Рис. 2. Железобетонный подножник (с) и его расчетная модель (б) Стальная арматура фундаментов металлических опор и заглубленной части железобетонных опор во многих случаях достаточно хорошо выполняет функцию отвода в землю токов молний, т. е. играет роль естественного заземлителя. Связано это с тем, что бетон как проводник электрического тока представляет собой пористое тело, состоящее из большого числа тонких каналов, наполненных влагой и создающих, таким образом, путь для электрического тока. При определенных силе тока и времени его протекания влага испаряется, в бетоне возникают электрические искры и дуги, которые могут разрушить материал и пережечь арматуру, что в конечном счете приводит к снижению механической прочности железобетонной конструкции. В связи с этим стержни арматуры, используемые для заземления, проверяют на термическую стойкость при протекании токов короткого замыкания. Следует также иметь в виду, что в среде с существенной агрессивностью к бетону использование железобетонных фундаментов в качестве заземлителей не всегда возможно. В сетях с изолированной нейтралью режим длительного замыкания является опасным для железобетонных фундаментов, и сооружение искусственных заземлителей необходимо для разгрузки естественных элементов заземляющего устройства и предохранения их от разрушения стекающим током Ниже приводится установленная в результате исследований допустимая плотность электрического тока для арматуры железобетонных конструкций в зависимости от вида тока и времени воздействия, А/м2: Длительный постоянный ток 0,06 Длительный переменный ток 10 Кратковременный переменный ток (до 3 с) 10000 Ток молнии 100000 Искусственные заземлители сооружают, как правило, в грунтах с удельным сопротивлением более 500 Ом - м. Это обусловлено тем, что естественные заземлители опор BЛ35 - 330 кВ имеют в таких грунтах сопротивления больше нормируемых. В линиях высших классов напряжения с мощными фундаментами искусственные заземлители не снижают заметно сопротивлений заземляющего устройства. Искусственные заземлители, как правило, выполняются в виде двух-четырех расходящихся от опоры горизонтальных лучей, прокладываемых на глубине 0,5 м, а в пахоте - 1 м. В случае установки опор в скальных грунтах допускается прокладка лучевых заземлителей непосредственно под разборным слоем над скальными породами. При отсутствии этого слоя (толщиной не менее 0,1 м) рекомендуется прокладка заземлителей по поверхности скалы с заливкой их цементным раствором. Для уменьшения коррозионного воздействия со стороны грунта искусственные заземлители должны быть круглого сечения диаметром 12-16 мм.
Рис. 3. Расположение естественных а - башенная промежуточная опора 35-330 кВ; б - П-образная с оттяжками промежуточная опора 330- 750 кВ Указанные сопротивления заземляющих устройств относятся и к опорам без тросов и других устройств грозозащиты, но с установленными на этих опорах силовыми или измерительными трансформаторами, разъединителями, предохранителями или другими аппаратами для ВЛ напряжением 110 кВ и выше. Железобетонные и металлические опоры напряжением 110 кВ и выше без тросов и других устройств грозозащиты также заземляются, если это необходимо для обеспечения надежной работы релейной защиты и автоматики. Сопротивления заземляющих устройств таких опор определяются при проектировании ВЛ. Железобетонные и металлические опоры напряжением 3 - 35 кВ, не имеющие устройств грозозащиты и другого установленного оборудования, должны быть заземлены, причем в ненаселенной местности для ВЛ 3 - 20 кВ допускается сопротивление заземляющего устройства: 30 Ом при р менее 100 Ом - м и 0,3 р - при р более 100 Ом - м. Заземляющие устройства опор, на которых установлено электрооборудование. должны соответствовать следующим требованиям. В сетях напряжением менее 1 кВ с глухозаземленной нейтралью сопротивление заземляющего устройства должно быть 2, 4, 8 Ом при линейных напряжениях 660,380,220 В трехфазного или 380,220,127 однофазного тока. Это сопротивление должно быть обеспечено с учетом использования естественных заземлителей, а также заземлителей повторных заземлений нулевого провода. При этом сопротивление заземлителя, расположенного в непосредственной близости от нейтрали генератора или трансформатора или вывода источника однофазного тока, должно быть не более 25, 30, 60 Ом для линейных напряжений 660, 380, 220 В трехфазного или 380,220,127 В однофазного тока. В сетях напряжением выше 1 кВ с изолированной нейтралью заземляемое оборудование, установленное на опоре ВЛ, подсоединяется к замкнутому горизонтальному заземлителю (контуру), проложенному на глубине не менее 0,5 м. Если сопротивление заземляющего устройства выше 10 Ом, то следует дополнительно проложить горизонтальные заземлители на расстоянии 0,8 - 1 м от фундамента опоры. При р > > 500 Ом-м допускается повысить значение сопротивления в 0,002 р раз, но не более чем в 10 раз. Измерения сопротивлений заземляющих устройств опор ВЛ следует проводить при токе промышленной частоты. На ВЛ напряжением ниже 1кВ измерения производятся на всех опорах с заземлителями грозозащиты и повторными заземлителями нулевого провода. На ВЛ напряжением выше 1 кВ измерения сопротивлений заземляющих устройств производятся на опорах с разрядниками и защитными промежутками и с электрооборудованием, а на опорах ВЛ 110 кВ и выше - с грозозащитными тросами при обнаружении следов перекрытий изоляторов электрической дугой. На остальных железобетонных и металлических опорах измерения производятся выборочно у 2% общего числа опор с заземлителями: в населенной местности, на участках с агрессивными и оползневыми грунтами и в плохопроводящих грунтах.

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.