Защитное действие стержневых и тросовых молниеотводов. Применение тросовой молниезащиты

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.

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

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

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 в защищенный объект (числа прорывов) к общему числу ударов в молниеотвод и объект.

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 незащищенным объектом. Для большинства современных объектов при таких уровнях защиты обеспечивается малое количество прорывов за весь срок их службы.

Подход к нормированию заземлителей молниезащиты

Одним из эффективных способов ограничения грозовых перенапряжений в цепи молниеотводов, а также на металлических конструкциях и оборудовании объекта является обеспечение низких сопротивлений заземлителей. Поэтому при выборе молниезащиты нормированию подлежит сопротивление заземлителя или другие его характеристики, связанные с сопротивлением.

Для наружных установок максимально допустимое импульсное сопротивление заземлителей было принято равным 50 Ом.

В настоящее время распространенными и рекомендуемыми конструкциями заземлителей являются железобетонные фундаменты. К ним предъявляется дополнительное требование - исключение механических разрушений бетона при растекании через фундамент токов молнии. Железобетонные конструкции выдерживают большие плотности растекающихся по арматуре токов молнии, что связано с кратковременностью этого растекания. Единичные железобетонные фундаменты (сваи длиной не менее 5 или подножники длиной не менее 2 м) способны без разрушения выдерживать токи молнии до 100 кА. Для фундаментов больших размеров с соответственно большей поверхностью арматуры опасная для разрушения бетона плотность тока маловероятна при любых возможных токах молнии.

Нормирование параметров заземлителей по их типовым конструкциям имеет ряд достоинств: оно соответствует принятой в строительной практике унификации железобетонных фундаментов с учетом их повсеместного использования в качестве естественных заземлителей; при выборе молниезащиты не требуется выполнять расчеты импульсных сопротивлений заземлителей, что сокращает объем проектных работ.

Общие положения по устройству молниезащиты

Устройства молниезащиты (молниеотводы) должны включать в себя молниеприемники, непосредственно воспринимающие удар молнии, токоотводы и заземлители.

Стержневые молниеприемники должны быть изготовлены из стали (круглой, полосовой, угловой, трубчатой) любой марки сечением не менее 200 мм 2 , длиной не менее 500 мм и укреплены на опоре или непосредственно на самом защищаемом здании или сооружении.

Тросовые молниеприемники должны быть изготовлены из стальных многопроволочных канатов сечением не менее 50 мм 2 .

Токоотводы, соединяющие молниеприемники всех видов с заземлителями, следует выполнять из стали. Их размеры должны быть не менее приведенных ниже:

Снаружи здания На воздухе В земле

Диаметр круглых токоотводов и перемычек, мм 8 -

Диаметр круглых вертикальных (горизонтальных) электродов, мм - 16(14)

Сечение (толщина) прямоугольных токоотводов, мм 2 (мм) 50(4) 160(4)

Молниеприемная сетка должна быть выполнена из оцинкованный стальных проводников диаметром не менее 8 мм, уложена на неметаллическую кровлю здания сверху или под несгораемые или трудно сгораемые утеплитель или гидроизоляцию. Размер ячеек сетки должен быть не более 6x6 м. Сетка в узлах должна быть соединена сваркой.

В зданиях с покрытиями по металлическим фермам или балкам молниеприемную сетку на кровле не укладывают. В этом случае несущие конструкции покрытия должны быть связаны токоотводами из стальных стержней марки А1 диаметром 12 мм. Все металлические детали, расположенные на кровле (трубы, вентиляционные устройства, водосточные воронки и т.п.) должны быть соединены с молниеприемной сеткой молниеотводами. На неметаллических возвышающихся частях зданий следует дополнительно уложить металлическую сетку и соединить ее при помощи сварки с молниеприемной сеткой на кровле.

При прокладке молниеприемной сетки и установке молниеотводов следует использовать на защищаемом объекте всюду, где это возможно, в качестве токоотводов металлические конструкции зданий и сооружений (колонны, фермы, рамы, пожарные лестницы и т.п., а также арматуру железобетонных конструкций) при условии обеспечения непрерывной электрической связи в соединениях конструкций и арматуры с молниеприёмниками и заземлителями, выполняемых, как правило, сваркой

В качестве заземлителей молниезащитыдопускается использовать все рекомендуемые ПУЭ заземлители электроустановок, за исключением нулевых проводов воздушных линий электропередачи напряжением до 1 кВ.

Железобетонные фундаменты зданий, сооружений, наружных установок, опор молниеотводов следует, как правило, использовать в качестве заземлителей молниезащиты при условии обеспечения непрерывной электрической связи по их арматуре и присоединения ее к закладным деталям с помощью сварки.

Битумные и битумно-латексные покрытия не являются препятствием для такого использования фундаментов. В средне- и сильноагрессивных грунтах, где защита железобетона от коррозии выполняется эпоксидными и другими полимерными покрытиями, а также при влажности грунта менее 3% использовать фундаменты в качестве заземлителей не допускается.

Искусственные заземлители следует располагать под асфальтовым покрытием или в редко посещаемых местах (на газонах, в удалении на 5 м и более от грунтовых проезжих и пешеходных дорог и т.п.).

Выравнивание потенциалов внутри зданий и сооружений шириной более 100 м должны происходит за счет непрерывной электрической связи между несущими внутрицеховыми конструкциями и железобетонными фундаментами, если последние могут быть использованы в качестве заземлителей. В противном случае должна быть обеспечена прокладка внутри здания в земле на глубине не менее 0,5 м протяженных горизонтальных электродов сечением не менее 100 мм 2 . Электроды следует прокладывать не реже, чем через 60 м по ширине здания и присоединять по его торцам с двух сторон к наружному контуру заземления.

На часто посещаемых открытых площадках с повышенной опасностью поражения молнией (вблизи монументов, телебашен и подобных сооружений высотой более 100 м) выравнивание потенциала выполняется присоединением тоководов или арматуры сооружения к его железобетонному фундаменту не реже чем через 25 м по периметру основания сооружения.

При невозможности использования железобетонных фундаментов в качестве заземлителей под асфальтовым покрытием площадки на глубине не менее 0,5 м через каждые 25 м должны быть проложены радиально расходящиеся горизонтальные электроды сечением не менее 100 мм 2 и длиной 2-3 м, присоединенные к заземлителям защиты сооружения от прямых ударов молнии.

При возведении в грозовой период высоких зданий и сооружений на них в ходе строительства, начиная с высоты 20 м, необходимо предусматривать следующие временные мероприятия по молниезащите. На верхней отметке строящегося объекта должны быть закреплены молниеприемники, которые через металлические конструкции или свободно спускающиеся вдоль стен токоотводы следует присоединять к заземлителям, указанным в пп. 3.7 и 3.8 РД. В зону защиты типа Б молниеотводов должны входить все наружные площадки, где в ходе строительства могут находиться люди. Соединения элементов молниезащиты могут быть сварными или болтовыми. По мере увеличения высоты строящегося объекта молниеприемники следует переносить выше.

Устройства и мероприятия по молниезащите, отвечающие требованиям настоящих норм, должны быть заложены в проект и график строительства или реконструкции здания таким образом, чтобы выполнение молниезащиты происходило одновременно с основными строительно-монтажными работами.

Устройства молниезащиты зданий и сооружений должны быть приняты и введены в эксплуатацию к началу отделочных работ, а при наличии взрывоопасных зон - до начала комплексного опробования технологического оборудования.

При этом оформляется и передается заказчику скорректированная При строительстве и монтаже проектная документация по устройству молниезащиты (чертежи и пояснительная записка) и акты приемки устройств молниезащиты, в том числе акты на скрытые работы по присоединению заземлителей к токоотводам и токоотводов к молниеприемникам, за исключением случаев использования стального каркаса здания в качестве токоотводов и молниеприемников, а также результаты замеров сопротивлений току промышленной частоты заземлителей отдельно стоящих молниеотводов.

Проверка состояния устройств молниезащиты должна производиться для зданий и сооружений I и II категорий 1 раз в год перед началом грозового сезона, для зданий и сооружений Ш категории - не реже 1 раза в 3 года.

Проверке подлежат целость и защищенность от коррозии Доступных обзору частей молниеприемников и токоотводов и контактов между ними, а также значение сопротивления току промышленной частоту заземлителей отдельно стоящих молниеотводов. Это значение не должно превышать результаты соответствующих замеров на стадии приемки более чем в 5 раз. В противном случае следует проводить ревизию заземлителя.

В зависимости от конкретных условий возможны различные варианты (или их комбинации) молниезащиты. Проще всего оборудовать системой молниезащиты дома с металлической кровлей. Для этого достаточно подвести к двум противоположным скатам крыши токоотвод и соединить их с заземлителями (например, водопроводной трубой). В качестве токоотводов можно использовать водосточные трубы, занулив их в случае необходимости с помощью вертикального или горизонтального заземлителя.

Строение с не металлической кровлей можно оборудовать тросовой системой молниезащиты в виде натянутой вдоль конька крыши стальной проволоки диаметром 5-6 мм с молниеприемниками, расположенными выше самой высокой точки строения или его элементов. Проволоку с зазором 250 мм от конька крыши натягивают между деревянными стойками, установленными на фронтонах, если она расположена выше других элементов строения (например, дымоходной трубы), то в этом случае ее можно считать молниеприемником.

Тросовая система молниезащиты:

а - общий вид; б - крепление "вилки" на трубе; в - правильное расположение тросового молниеприемника; 1 - стержневой молниеприемник; 2 - тросовый молниеприемник; 3 - стойки;

4 - отмостка; 5 - заземлитель; 6 - зона увлажнения; 7 - пешеходная дорожка; 8 – токоотвод

ВВЕДЕНИЕ

Распределительные электрические сети (PC) напряжением 0,4-10 кВ в последние годы оснащаются электрооборудованием, аппаратами, устройствами, изоляторами и проводами, изготовленными на новой современной технической базе. Эксплуатация таких сетевых объектов требует надежной системы защиты от грозовых перенапряжений с использованием современных технических средств. Разработка технических средств и методов защиты от перенапряжений PC связана с количественной оценкой параметров молнии и вероятного числа грозовых повреждений. Для расчетов плотности прямых ударов молнии на землю используется информация об интенсивности грозовой деятельности. При этом необходимо учитывать экранирование сетевых объектов зданиями, сооружениями, деревьями и т.п. Экранирование в отдельных случаях может снизить количество прямых ударов в сетевые объекты на ~ 70%.

Надежная защита достигается, если оборудование и конструкции будут иметь достаточно высокую прочность изоляции или в PC установлены эффективные аппараты защиты от грозовых перенапряжений. Для защиты PC напряжением 0,4-10 кВ от грозовых перенапряжений применяются ограничители перенапряжений нелинейные (ОПН), разрядники длинно-искровые (РДИ), разрядники вентильные (РВ) и трубчатые (РТ), защитные искровые промежутки (ИП). Тип, количество и место установки аппаратов защиты выбирается при проектировании конкретных сетевых объектов. При установке аппаратов защиты требования к значению сопротивления заземления выбирают согласно ПУЭ. Для магистральных линий напряжением 6-10 кВ, выполненных в габаритах ВЛ напряжением 35 кВ, рекомендуется применять тросовые молниеотводы на подходах к подстанциям и распределительным пунктам.

Задачей защиты PC напряжением 0,4 кВ является предотвращение поражения людей, животных и возникновения пожаров вследствие проникновения грозовых перенапряжений во внутренние проводки жилых домов и других строений, а также повреждения электрооборудования подстанций 6-10/0,4 кВ.

ОЦЕНКА ЗАЩИТНОГО ДЕЙСТВИЯ МОЛНИЕОТВОДОВ

Параметры стержневых и тросовых молниеотводов

Параметры стержневых молниеотводов

Стержневым молниеотводом называется конструкция в виде вертикального установленного решетчатого шпиля, трубы или стержня. Стержневой молниеотвод как средство грозозащиты был предложен В.Франклином в 1749 году. Современные молниеотводы стандартных типов имеют высоту до 40 метров. В некоторых случаях для создания нестандартных молниеотводов в качестве несущих конструкций используются заводские трубы, опоры линий электропередачи или металлические порталы открытых распределительных устройств.

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 Н зависит от высоты молниеотвода h. Для молниеотводов высотой до 30 метров:

а для молниеотводов высотой более 30 метров Н=600м принято считать, что вершина конуса зоны 100%-го поражения располагается симметрично оси молниеотвода на высоте защищаемого объекта, а радиус его на высоте ориентировки:

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

Кроме указанной зоны, защитное действие стержневого молниеотвода характеризуется зоной защиты, т.е. пространством, попадание разрядов молний в которое исключается. Зона защиты одиночного стержневого молниеотвода имеет вид шатра, расширяющегося книзу (рис. 1.1). Для расчёта радиуса защиты в любой точке защитной зоны, в том числе и на уровне высоты защищаемого объекта, используется формула:

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

В том случае, когда для защиты протяжённых объектов 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 (рис. 1.2). 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 рис. 1.3, а, б.

Показанный на рисунке радиус защиты определяется так же, как и для одиночного молниеотвода, а наименьшая ширина зоны защиты определяется по специальным кривым. Следует иметь ввиду, что при молниеотводов высотой до 30 метров, расположенных на расстоянии, наименьшая ширина зоны защиты равна нулю.

Рисунок 1.1 - Зона защиты одиночного стержневого молниеотвода:

1 - граница зоны защиты; 2 - сечение зоны защиты на уровне

Рисунок 1.2 - Схема расположения стержневых молниеотводов, обеспечивающая смыкание зон 100%-го поражения

Рисунок 1.3 - Графическое изображение защитной зоны:

а) - для двух молниеотводов; б) - для четырёх молниеотводов

При наличии трёх и четырёх молниеотводов очертания защитной зоны имеют вид, подобный рис. 1.3 б. 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:

При установке отдельно стоящих молниеотводов необходимо соблюдать определённые расстояния по воздуху между молниеотводом и защищаемым объектом. Это требование исходит из того, что в момент поражения молниеотвода молнией на нём создаётся высокий потенциал, который может привести к обратному разряду с молниеотвода на объект. Потенциал на молниеотводе в момент разряда определяется зависимостью:

где - импульсное сопротивление заземления молниеотвода 5 - 25 Ом; - ток молнии в хорошо заземлённом объекте, кА.

Более точно потенциал на молниеотводе можно определить с учётом индук-

тивности молниеотвода:

где а - крутизна фронта волны тока, кА/мкс; - точка молниеотвода на высоте объекта, м; - удельная индуктивность молниеотвода, мкГн/м.

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

где Е в - 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 5 м.

Тросовый молниеотвод

Одним из наиболее надёжных средств предотвращения прямых поражений молнией проводов линий электропередачи является подвеска над ними заземлённых тросовых молниеотводов. Устройство это дорогое и поэтому применяется только на линиях первого класса напряжением 110 кВ и выше. Когда линия на металлических или деревянных опорах не прикрыта тросами полностью, ими прикрывают только подходы к подстанциям на участке 1-2 км. 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 20-30 0 .

Защитная зона для одного троса в сечении перпендикулярном линии, имеет вид, подобный защитной зоне для одиночного стержневого молниеотвода. 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.