Применение тросовой молниезащиты. Стержневые и тросовые молниеотводы. Зоны защиты молниеотводов. Заземляющие устройства молниеотводов Защитное действие стержневых и тросовых молниеотводов
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
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 20. Зона защиты двойного тросового молниеотвода показана на рис. 12. Размеры r , h , r определяются по формулам (5) настоящей Инструкции. Остальные габариты зоны защиты определяются по формулам: При L h h = h, r = r r = r
; (6) При L > h
(7) Рис 12 Схема зоны защиты двойного тросового молниеотвода: Зона защиты существует при L 3h.
Конструктивное выполнение молниеотводов
Опоры, молниеприемники и токоотводы
21. Опоры молниеотводов следует выполнять из стали любой марки, железобетона или древесины (рис. 13). Металлические трубчатые опоры допускается изготовлять из некондиционных стальных труб. Металлические опоры должны быть предохранены от коррозии. Окрашивать контактные поверхности в соединениях не допускается, деревянные опоры и пасынки должны предохраняться от гниения пропиткой антисептиками. 22. Опоры стержневых молниеотводов необходимо рассчитывать на механическую прочность как свободно стоящие конструкции, а тросовые-с учетом натяжения троса и ветровой нагрузки на трос, без учета динамических усилий от токов молнии в обоих случаях. 23. К верхнему концу опоры / прикрепляется молние-приемник 2,
выступающий над опорой не более чем на 1,5 м (см. рис. 13). Молниеприемник соединяется токоотводом 3
с заземлением 4
и крепится к столбу скобами 5. Для больших хранилищ применяются сложные опоры. Рис 13 Устройство стержневых молниеотводов на деревянных опорах: а -
двух; б - одной Для увеличения срока службы деревянные опоры можно устанавливать на рельсовые или железобетонные приставки. Размеры деревянных опор
Высота молниеотвода, м...... 9 11 13 14 16 18 20 22 24. Использование деревьев в качестве опор для мол-ниеприемников не допускается. 25. Площадь сечения стального молниеприемника стержневого молниеотвода должна быть не менее 100 мм (рис. 14). Длина молниеприемника должна быть не менее 200 мм. Молниеприемники следует защищать от коррозии оцинкованием, лужением или покраской. Рис. 14. Конструкции молниеприемников из круглой стали (а),
стальной проволоки диаметром 2-3 мм (б
), стальной трубы (в
), полосовой стали (г
), угловой стали (д): 1 -
токоотвод 26. Молниеприемники тросовых молниеотводов необходимо выполнять из стального многопроводного оцинкованного троса площадью сечения не менее 35 мм . 27. Соединение молниеприемников с токоотводами должно выполняться сваркой, а при невозможности применения сварки - болтовым соединением с переходным электрическим сопротивлением не более 0,05 Ом. Соединение стальной кровли с токоотводами может выполняться зажимами (рис. 15). Площадь контактной поверхности в соединении должна быть не менее удвоенной площади сечения токоотводов. Рис. 15. Зажим для присоединения плоского (а)
и круглого (б)
токоотводов к металлической кровле: 1 -
токоотвод; 2 -
кровля; 3 -
свинцовая прокладка; 4 -
стальная пластина; 5
-пластина с приваренным токоотводом _____ 28. Токоотводы, перемычки и заземлители необходимо выполнять 113 фигурной стали с размерами элементов, не менее указанных на стр. 217. Заземляющие устройства
29. По расположению в грунте и форме электродов заземлители делятся на: А) углубленные - из полосовой (площадью сечения 40 Х 4 мм) или круглой (диаметром 20 мм) стали, укладываемые на дно котлована в виде протяженных элементов или контуров по периметру фундаментов. В грунтах с электрическим удельным сопротивлением 500 Ом м в качестве углубленных заземлителей может использоваться арматура железобетонных свай и железобетонных фундаментов других видов; Б) горизонтальные - из полосовой (площадью сечения 40 Х 4 мм) или круглой (диаметром 20 мм) стали, уложенные горизонтально на глубине 0,6-0,8 м от поверхности земли или несколькими лучами, расходящимися из одной точки, к которой присоединяется токоотвод; В) вертикальные-из стальных, вертикально ввинчиваемых стержней (диаметром 32-56 мм) или забиваемых электродов из угловой (40Х40 мм) стали. Длина ввинчиваемых электродов должна приниматься 3-5 м, забиваемых-2,5-3 м. Верхний конец вертикального заземлителя должен быть заглублен на 0,5-0,6 м от поверхности земли; Г) комбинированные - вертикальные и горизонтальные, объединенные в общую систему. Присоединение токоотводов следует проводить в середину горизонтальной части комбинированного заземлителя. В качестве комбинированных следует применять сетки с глубиной заложения 0,5-0,6 м или сетки с вертикальными электродами. Шаг ячеек сетки должен быть не менее 5-6 м; Д) пластинчатые - для судов с ВМ, корпуса которых изготовлены из непроводящего материала. 30. Все соединения электродов заземлителей между собой и с токоотводами должны проводиться сваркой. Длина сварочного шва должна быть не менее двойной ширины свариваемых полос и не менее 6 диаметров свариваемых круглых проводников, Болтовой контакт допускается только при устройстве временных заземлителей и в местах соединения между собой отдельных контуров, выполненных в соответствии с п. 11 настоящей Инструкции. Площадь сечения соединительных полос заземлителей должна быть не менее указанной в п. 28 настоящей Инструкции. 31. Проектирование заземлителей должно вестись с учетом неоднородности грунта. 32. Конструкция заземлителей выбирается в зависимости от требуемого импульсного сопротивления с учетом структуры и электрического удельного сопротивления грунта, а также удобства ведения работ по их укладке. Типовые конструкции заземлителей и значения их сопротивления растеканию тока промышленной частоты ,
Ом, приведены в табл. 1П. В грунтах с электрическим удельным сопротивлением менее 500 Ом м следует использовать заземлители горизонтального или вертикального типа. При грунтах неоднородной проводимости следует применять горизонтальные заземлители, если электрическое удельное сопротивление верхнего слоя грунта меньше нижнего, и и вертикальные заземлители, если проводимость нижнего слоя лучше, чем верхнего. 33. Каждый заземлитель характеризуется своим импульсным сопротивлением, т. е, сопротивлением растеканию тока молнии R .
Импульсное сопротивление заземлителя может существенно отличаться от сопротивления ,
получаемого обычно принятыми способами. Его величина определяется по формуле: R =
(8) где -
импульсный коэффициент, зависящий от параметров тока молнии, электрического удельного сопротивления грунта и конструкции заземлителя. Предельные длины горизонтальных заземлителей, гарантирующих 1 при разных удельных сопротивлениях грунта р
, приведены ниже. Таблица 1П
Заземлители большей длины практически не отводят импульсный ток на участке, превышающем l .
Значения импульсного коэффициента при разных удельных сопротивлениях грунта приведены в табл. 2П. Таблица 2П
Импульсные коэффициенты определены для значений амплитуды тока молнии 60 кА и крутизны 20 кА/мкс. 34. После монтажа заземлителей расчетное сопротивление растеканию должно быть уточнено непосредственным замером. Измерения следует проводить летом в сухую погоду. Соединение между собой отдельных заземлителей молниеотводов стальной полосой допускается в грунтах с электрическим удельным сопротивлением > 500 Ом м. Если измеренное сопротивление заземлителей превышает расчетное, то в грунтах с электрическим удельным сопротивлением 500 0м м и более необходимо соединять между собой заземлители молниеприемников соседних хранилищ при расстоянии между ними не более указанных в п. 10 настоящей Инструкции. МИНИСТЕРСТВО
ЭНЕРГЕТИКИ И ЭЛЕКТРИФИКАЦИИ
CCC
Р
ГЛАВНОЕ ТЕХНИЧЕСКОЕ УПРАВЛЕНИЕ ПО ЭКСПЛУАТАЦИИ ЭНЕРГОСИСТЕМ
РУКОВОДЯЩИЕ УКАЗАНИЯ РД 34.21.121
МОСКВА
1974
Составлено ВЭИ, ГНИЭИ, Энергосетьпроектом
УТВЕРЖДАЮ:
Заместитель
начальника
Главтехуправления
Ф.
СИНЬЧУГОВ
Защитное
действие молниеотводов основано на свойстве молнии с большей вероятностью
поражать более высокие и хорошо заземленные металлические предметы по сравнению
с рядом стоящими менее высокими. Молниеотвод, принимающий на себя разряд
молнии, представляет собой возвышающееся над защищаемым сооружением
металлическое устройство, состоящее из молниеприемника, токоотвода и
заземлителя. Для защиты электротехнических установок от прямых разрядов молнии
рекомендуется применять стержневые и тросовые молниеотводы. Стержневые
молниеотводы выполняются в виде вертикальных металлических конструкций,
установленных самостоятельно или на каких-либо сооружениях (например порталах,
дымовых трубах), а тросовые - в виде горизонтально подвешенных проводов
(тросов).
Степень
защищенности сооружения молниеотводом определяется вероятностью прорыва молнии
к защищаемому сооружению минуя молниеотвод. Вероятность прорыва молнии равна
отношению числа разрядов молнии в защищаемое сооружение к общему числу разрядов
молнии в молниеотвод и защищаемое сооружение.
Расчет
молниезащиты ведется по зонам защиты. Вероятность прорыва молнии к любому
объекту, расположенному внутри зоны защиты, не должна превышать допускаемой
величины.
Очертания
и размеры зоны защиты определяются числом, высотой и взаимным расположением
молниеотводов и зависят от допускаемой вероятности прорыва молнии. Зона защиты
тем меньше, чем меньшую вероятность прорыва молнии требуется обеспечить.
Пространство между молниеотводами защищено более надежно, чем с внешней стороны
молниеотводов. Защитное действие молниеотводов снижается с увеличением высоты
защищаемого объекта.
Зоны
защиты стержневых молниеотводов высотой до 60 м проверены многолетним опытом
эксплуатации и обеспечивают достаточную надежность. Зоны защиты стержневых
молниеотводов высотой более 60 м по методике настоящих Руководящих указаний
определяются с расчетной вероятностью прорыва молний в объект не более 10 -2 ,
а тросовых молниеотводов - не более 10 -2 и 10 -3 .
Указанная расчетная вероятность прорыва молнии установлена на основе
лабораторных испытаний на модели, опыта эксплуатации и сведений о развитии
разрядов молнии.
1. Зона защиты одиночного стержневого
молниеотвода высотой до 60 м имеет форму, показанную на рис. ,
размеры зоны определяются соотношением
Рис. 1. Зона защиты
одиночного стержневого молниеотвода высотой до 60 м:
h
- высота
молниеотвода;
h x
- высота точки на границе защищаемой зоны;
h a
=
h
- h x
- активная
высота молниеотвода
Зона
защиты одиночного стержневого молниеотвода высотой
h
от 60 до 250 м усечена на расстоянии
D
h
от вершины (рис. ) и определяется соотношениями
Рис. 2. Зона защиты
одиночного стержневого молниеотвода высотой более 60 м:
D
h
= 0,5(h
- 60) при 60 <
h
£
100 м;
D
h
= 0,2 ·
h
при
h
> 100 м
Рис.
3. Зависимость высоты одиночного стержневого
молниеотвода высотой до 30 м от радиуса защиты на различных уровнях
h x
Рис. 4. Номограмма для расчета зоны
защиты одиночного стержневого молниеотвода высотой до 30 м
Для
защищаемых объектов высотой 60 - 100 м высота молниеотвода
h
,
определенная по номограмме рис. ,
сравнивается с критической высотой
h
кр
,
определяющей границу усечения зоны защиты,
Рис. 5. Номограмма для расчета зоны
защиты одиночного стержневого молниеотвода высотой до 100 м
Вследствие
усечения зон защиты при
h
меньше
h
кр
высота молниеотвода выбирается равной критической.
При
высоте молниеотводов
h
> 100 м построение зоны защиты производится
непосредственно по формулам (), () и ().
2. Очертания зоны защиты двух стержневых
молниеотводов (двойной молниеотвод) показаны на рис. для
h
£
60 м и рис. для 60
£
h
£
250 м. Для каждого из молниеотводов высотой
более 60 м зона защиты усекается на расстоянии
D
h
от вершины, как и для одиночного молниеотвода.
Рис.
6. Зона защиты двух равновысоких стержневых молниеотводов высотой до 60 м:
а
- расстояние
между молниеотводами; в
x
- наименьшая
ширина зоны защиты на уровне
h x
;
r x
- радиус зоны защиты одиночного
молниеотвода;
R
- радиус окружности, проходящей через вершины молниеотводов и точку 0
, находящуюся на уровне
h
0
Рис.
7. Зона защиты двух стержневых молниеотводов высотой более 60 м:
D
h
= 0,5(h
- 60) при 60 <
h
£
100 м;
D
h
= 0,2
h
при
h
> 100 м
Построение
внешней зоны молниеотводов производится аналогично построению зоны одиночного
молниеотвода по формулам () или () в зависимости от высоты.
Наименьшая ширина зоны защиты в х
между молниеотводами на уровне
h x
определяется по
кривым рис.
и .
Для молниеотводов высотой от 30 до 250 м значение обеих координат необходимо
умножить на коэффициент .
Рис.
8. Значения наименьшей ширины зоны защиты в х
двух стержневых молниеотводов высотой
h
£
30 м для
Рис. 9. Значение наименьшей ширины зоны
защиты в х
двух стержневых
молниеотводов для
Наименьшая
высота зоны защиты
h
0
для молниеотводов высотой до 30 м равна
(6)
для молниеотводов от 30
до 250 м
(7)
но не больше
h
кр
,
определяемой по формуле (), если
h
³
60 м.
3.
Зона защиты трех и более молниеотводов значительно превышает сумму зон защиты
одиночных молниеотводов.
Построение
горизонтальных сечений зоны защиты на уровне
h x
показано на рис. - на примере трех и четырех
стержневых молниеотводов. Размеры в х
/2
определяются по кривым рис. и в зависимости от
a
/
h a
и высоты молниеотвода. Радиус защиты
r x
определяется так же,
как и для одиночного молниеотвода. При произвольном расположении нескольких
молниеотводов их зона защиты может быть определена суммированием зон любых трех
соседних молниеотводов (рис. ).
Рис.
10. Зона защиты четырех стержневых молниеотводов одинаковой высоты;
горизонтальное сечение зоны защиты на уровне
h x
1, 2, 3, 4 - молниеотводы
Рис.
11. Зона защиты трех стержневых молниеотводов одинаковой высоты; горизонтальное
сечение зоны защиты на уровне
h x
1, 2, 3 - молниеотводы
Рис.
12. Зона защиты четырех стержневых произвольно расположенных молниеотводов
одинаковой высоты; горизонтальное сечение зоны защиты на уровне
h x
1, 2, 3, 4 -
молниеотводы
Часть
зоны защиты трех и более молниеотводов высотой выше 60 м, расположенная вне
окружностей, проходящих через центры соседних трех молниеотводов, усекается на
расстоянии
D
h
от вершины. Часть зоны, расположенная
внутри окружностей, не усекается. Величина
D
h
определяется по формулам () и ().
Необходимым
условием защищенности всей площади на уровне
h x
является:
для
молниеотводов высотой
h
£
30 м:
D
£
8 ·
h a
;
для
молниеотводов высотой 30 <
h
£
250 м:
D
£
8 ·
h a
·
p
,
где
D
- диаметр окружности, проведенной через три смежных молниеотвода.
Зона
защиты одиночного тросового молниеотвода (горизонтально подвешенного троса)
имеет форму, показанную на рис. для молниеотводов высотой до 30 м и на рис. для
молниеотводов высотой от 30 до 250 м. Зона защиты на уровне
h x
ограничивается двумя параллельными молниеотводу линиями,
расположенными на расстоянии
r x
от вертикальной
плоскости, проходящей через тросовый молниеотвод. Это расстояние
r x
,
условно называемое по аналогии с одиночным стержневым молниеотводом радиусом
защиты, определяются по формулам:
h
< 30 м
(8)
для
одиночного тросового молниеотвода высотой
h
от 30 до 250 м
Рис.
13. Зона защиты одиночного тросового молниеотвода высотой до 30 м:
A
- горизонтальное сечение зоны защиты на уровне
h x
;
T
- трос
Рис. 14. Зона защиты одиночного тросового
молниеотвода высотой более 30 м
Зона
защиты тросового молниеотвода высотой 30 <
h
< 250 м усекается сверху на величину
Рис.
15. Номограмма для расчета зоны защиты одиночного тросового молниеотвода
высотой до 30 м
Рис. 16. Номограмма для расчета зоны
защиты одиночного тросового молниеотвода высотой от 30 до 100 м
Высота
молниеотвода
h
, определенная по номограмме (рис. ),
сравнивается с критической высотой
при
h
<
h
кр
высота молниеотвода выбирается равной
h
кр
.
Методика выбора тросовой защиты исходит из зависимости вероятности прорыва
молнии от угла защиты троса (a
) и высоты опор ВЛ. Соответствие между
изложенной здесь и в разделе грозозащиты ВЛ методикой устанавливается
соотношением
tg
a
=
r x
/
h a
.
4. Построение зоны защиты двух параллельных
тросовых молниеотводов представлено на рис. и . Внешние области зоны защиты
определяются как для одиночного тросового молниеотвода при
h
> 30 м и усекаются на расстоянии
D
h
от вершины. Вертикальное сечение зоны защиты
между двумя тросовыми молниеотводами ограничивается дугой окружности,
проходящей через молниеотводы и среднюю точку между молниеотводами
O
, находящуюся на высоте
(11)
где
a
- расстояние между молниеотводами;
Рис. 17. Зона защиты
двух тросовых молниеотводов 1 и 2 высотой до 30 м:
I
-
горизонтальное сечение на уровне
h x
; II
- вертикальное сечение зоны защиты
Рис.
18. Зона защиты двух тросовых молниеотводов высотой более 30 м
Р
= 1 при
h
£
30 м;
19 .
Вокруг молниеотвода 1 большей высоты строится зона защиты, как для одиночного
молниеотвода. Далее через вершину молниеотвода 2 меньшей высоты проводится
горизонтальная линия до пересечения с зоной защиты молниеотвода 1. Принимая эту
точку пересечения за вершину некоторого фиктивного молниеотвода 3 той же
высоты, что и меньший молниеотвод, строится зона защиты для двух молниеотводов
2 и 3, очертания которой ограничивают внутренний участок суммарной зоны защиты.
Рис.
19. Зона защиты двух молниеотводов разной высоты:
1, 2 -
молниеотводы; 3 - вершина фиктивного молниеотвода
Для
стержневых молниеотводов высотой
h
> 60 м и тросовых
h
> 30 м зона защиты у их вершины усекается на расстоянии
D
h
от вершины конкретно для каждого из молниеотводов и в
соответствии с их типом.
Суммарная
зона защиты тросового и стержневого молниеотводов определяется наложением их
зон. Так же строится конфигурация зоны защиты у конца тросового молниеотвода.
При этом конец троса следует рассматривать как стержневой молниеотвод
соответствующей высоты.
Зоны
защиты с вероятностью прорыва не более 10 -2 предназначены для
открытых распределительных устройств станций и подстанций, а также для
подсобных сооружений, нуждающихся в молниезащите. При этом вводы аппаратов и
шинопроводы должны находиться по возможности в глубине зоны защиты, так как
поражение их молнией представляет наибольшую опасность.
Зоны
защиты с вероятностью прорыва не более 10 -3 предназначены для
участков шинопроводов высокой ответственности, которые вследствие их большой
высоты или длины могут подвергаться частым ударам молнии.
Надежность
защиты повышается при размещении объектов во внутренней части зоны защиты
многократных молниеотводов.
Вследствие
вероятностного характера прорывов молнии выполнение молниезащиты, полностью
исключающей поражение защищаемых объектов, не всегда целесообразно, а в ряде
случаев технически не осуществимо. Оптимальная надежность молниезащиты
определяется на основе сопоставления стоимости молниезащиты и возможного ущерба
от поражения молнией.
Надежность
молниезащиты характеризуется числом
b
прорывов
молнии в год на защищаемое сооружение или числом лет, за которое
ожидается один прорыв молнии в зону защиты
b
= ψ ·
N
,
где ψ
- вероятность прорыва в зону защиты
(10 -2 или 10 -3 соответственно зоне);
N
- суммарное число ударов в год в молниеотвод и защищаемое сооружение.
Ожидаемое
число ударов молнии и год в одиночное возвышающееся сооружение (в том числе
стержневой молниеотвод) высотой
h
метров:
N
= п
T
π
R
2
10 -6 ,
(12)
где
n
= 0,06 - число ударов молнии в землю площадью 1
км 2 на 1 ч грозы, ;
T
- средняя интенсивность грозовой деятельности для данной
местности, ч.
R
= 3,5
·
h
- эквивалентный радиус окружности, описывающей
площадь, с которой сооружение «собирает» молнии, м.
Число
ударов молнии в год в группу возвышающихся сооружений (в том числе группу
стержневых молниеотводов):
Т =
nTS
·
10 -6 ,
(13)
где
S
- площадь, ограниченная дугами окружностей, описанных
радиусом
R
вокруг каждого молниеотвода, м 2 .
Число
ударов в год в протяженное возвышающееся сооружение (в том числе тросовый
молниеотвод) высотой
h
и длиной
l
,
(м):
N
=
2
nTlR
· 10 -6
, (14)
где
R
= 3,5
h
.
Число
ударов в сооружение длиной
l
(м), шириной
m
(м) и высотой
h
(м) определяется по формуле (), где
S =
(l +
7
h
)(m +
7
h
).
(15)
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. 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. 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.
1
, 2, 3-
границы зон защиты на уровнях соответственно земли и высот защищаемого сооружения; 4 -
трос
Высота составных деревянных частей опоры м:
верхней а
. . . . . . . . . . . . . 6 7 8 9 10 11 12 13
нижней b . . . .
. . . . . . . . . 5,5 6,5 7,5 8,5 9,5 10,5 11,5 12,5
Место расположения токоотвода
Вид
снаружи здания на воздухе
в земле
Круглые токоотводы и перемычки диаметром, мм
-
Круглые вертикальные электроды диаметром, мм
-
Круглые горизонтальные электроды диаметром, мм *1
-
Прямоугольные (из квадратной и полосовой стали):
площадь сечения, мм
толщина, мм
Из угловой стали:
площадь сечения, мм
-
толщина полки, мм
-
Трубы стальные с толщиной стенок, мм
-
3,5
*1 Применяются только для углубленных заземлителей и выравнивания потенциалов внутри зданий. , Ом * м
До 500
l
, м
Рисунки
Тип
Материал
Значение сопротивления (Ом) растеканию тока промышленной частоты при различных электрических удельных сопротивлениях грунта, Ом м
l00
Вертикальный стержневой
Сталь угловая 40 Х 40 Х 4 мм: l = 2 мl = 3
м
Сталь круглая диаметром 10-20 мм: l = 2 мl = 3 мl = 5 м
19 14 24 17 14
38 28 48 34 28
190 140 240 170 140
380 280 480 340 280
Горизонтальный полосовой
Сталь полосовая 4 Х 40 мм: l = 2 м
l = 5 мl = 10
м l = 20 мl = 30 м
22 12 7 4 3,2
44 24 14 8 6,5
220 120 70 40 35
440 240 140 80 70
Горизонтальный полосовой с вводом тока в середину
Сталь полосовая 4 X 40 мм: l = 5 мl = 10 мl = 12
м l = 24 мl = 32
м l = 40 м
9,5 5,85 5,4 3,1 Не применяется То же
19 12 11 6,2 Не применяется То же
95 60 54 31 24 20
190 120 110 62 48 40
Горизонтальный трехлучевой
Сталь полосовая 4 X 40 мм: l = 6
м l = 12
м l = 16
м l = 20 мl = 32 мl = 40 м
4,6 2,6 2 1,7 Не применяется То же
9 5,2 4 3,4 Не применяется То же
45 26 20 17 14 12
90 50 40 34 28 24
Комбинированный двухстержневой
Сталь угловая 40 X 40 мм, сталь полосовая 4 X 40 мм: С = 3 м; l = 2,5 мС = 3 м; l = 3 мС = 6 м; l = 2,5 мС = 6 м; l = 3 м
С = 3 м; l = 2,5 мC = 3 м; l = 3 мС = 5 м; l = 2,5 мС = 5 м; l = 3 мC = 3 м; l = 5 мС = 5 м; l = 5 м
7 6 5,5 4,5 7,5 6,8 6 5,5 5,5 4
14 12 11 9,1 15 14 12 11 11 8
70 60 55 45 75 70 60 55 55 40
140 120 110 90 150 140 120 110 110 80
Комбинированный трехстержневой
Сталь угловая 40 X 40 X 4 мм, сталь полосовая 4х40 мм: С = 3 м; l = 2,5 мС = 6 м; l = 7,5 мC = 7 м; l = 3 м
Сталь круглая диаметром 10-20 мм, сталь полосовая 4 X 40 мм: С = 2,5 м; l = 2,5 мС = 2,5 м; l = 2 мС = 5 м; l = 2,5 мС = 5 м; l = 3 мС = 6 м; l = 5 м
4 3 2,7 4,8 4,4 3,5 3,3 2,7
8 6 5,4 9,7 8,9 7,1 6,6 5,4
40 30 27 50 45 36 33 27
80 60 55 100 90 70 65 55
Комбинированный пятистержневой
C = 5 м; l = 2 мC = 5 м; l = 3 мC = 7,5 м; l = 2 мС = 7,5 м; l = 3 м
Сталь круглая диаметром 10-20 мм, сталь полосовая 4 X 40 мм: С = 5 м; l = 2 мC = 5 м; l = 3 мС = 7,5 м; l = 2 мС = 7,5 м; l = 3 мС = 5 м; l = 5 мС = 7,5 м; l = 5 м
2,2 1,9 1,8 1,6 2,4 2 2 1,7 1,9 1,6
4,4 3,8 3,7 3,2 4,8 4,1 4 3,5 3,8 3,2
22 19 18,5 16 24 20,5 20 17,5 19 16
44 38 37 32 48 41 40 35 38 32
Комбинированный четырехстержневой
Сталь угловая 40 X 40 X 4 мм, сталь полосовая 4 X 40 мм: C = 6 м; l = 3 м
2,1
4,3
21,5
43
Горизонтальный с вводом тока в центре
Сталь полосовая 4 X 40 мм: D = 4
м D = 6 мD = 8 мD = 10 мD = 12 м
4,5 3,3 2,65 2,2 1,9
9 6 5,3 4,4 3,8
45 33 26,5 22 19
90 66 53 44 38
ПО РАСЧЕТУ ЗОН ЗАЩИТЫ СТЕРЖНЕВЫХ И ТРОСОВЫХ
МОЛНИЕОТВОДОВ
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
ЗОНЫ ЗАЩИТЫ
СТЕРЖНЕВЫХ МОЛНИЕОТВОДОВ
ЗОНЫ ЗАЩИТЫ
ТРОСОВЫХ МОЛНИЕОТВОДОВ
ВВЕДЕНИЕ
ОЦЕНКА ЗАЩИТНОГО ДЕЙСТВИЯ МОЛНИЕОТВОДОВ
Параметры стержневых и тросовых молниеотводов
Параметры стержневых молниеотводов
Тросовый молниеотвод
