Лекции

Таблица 6.2

Интенсивность грозовой деятельности в мире

Число грозовых	DГ, ч	Регион
дней в году
100	250	Вьетнам
130	300	Бразилия
150	350	Средняя Африка и Южная Мексика
200	600	о. Ява
322	900	г. Багор (о. Ява)

Другая характернистика грозовой деятельности – среднее число ударов молнии nуд в один км2 поверхности земли за 100 грозовых часов. На территории России nуд=6,7 1/км2 за 100 грозовых часов.

Возвышающиеся над землей объекты вследствие развития с них встречных лидеров собирают удары молнии с площади, превышающей их территорию.

Число ударов молнии за 100 грозовых часов в сооружение, например в подстанцию, длиной А, шириной В и высотой Н (размеры в метрах) может быть рассчитано по формуле:

nуд=6,7(А+7Н)(В+7Н) 10-6 (6.8)

Число ударов молнии в 100 км ВЛ за 100 грозовых часов:

nуд=6,7 100 6hср 10-3 ≈4hср

(6.9)

где hср= hоп-2f/3

hср –средняя высота подвеса троса или при отсутствии тросов – верхнего провода, м;

hоп- высота опоры, м; f - стрела провеса, м.

Годовое число ударов молнии в линию длиной l при числе грозовых часов в году DГ определяется как:

l DÃ	(6.10)
nãîä = nóä 100 100

6.1.1.4 Шаровая молния

Шаровая молния появляется, как правило одновременно с обычной (линейной) молнией недалеко от места удара последней и выглядит как огненный шар. Диаметр шара составляет в основном 10-20 см. Цвет может быть разный: красный, оранжевый, желтый и белый. Шаровые молнии обычно перемещаются горизонтально со скоростью несколько метров в

6

секунду – как бы катятся вблизи поверхности земли, подпрыгивая на неровностях.

Время жизни шаровых молний составляет обычно несколько секунд, но может быть и больше минуты. Исчезновение шаровых молний в большинстве случаев происходит быстро и сопровождается сильным треском. В месте взрыва шаровой молнии наблюдаются разрушения: обрывы проводов, отверстия, оплавления поверхностей и т.п.

Удовлетворительного объяснения шаровой молнии и причин ее возникновения пока еще не найдено. Имеется ряд гипотез. Однако нужно иметь в виду, что шаровая молния – достаточно редкое явление. Это, собственно и является причиной того, что до настоящего времени практически не началось ее изучение.

6.1.2Молниеотводы

6.1.2.1 Принцип действия молниеотводов

Защита от прямых ударов молнии осуществляется с помощью молниеотводов. Молниеотвод представляет собой возвышающееся над защищаемым объектом устройство, через которое ток молнии, минуя защищаемый объект, отводится в землю. Молниеотвод состоит из молниеприемника, непосредственно воспринимающего на себя удар молнии, токоотвода и заземлителя.

Защитное действие молниеотводов впервые получило объяснение в «Слове о явлениях воздушных, от електрической силы происходящих…» М.В. Ломоносова, который в 1753 г писал «Стрелы на местах, от обращения человеческого по мере удаленных, ставить за небесполезное дело почитаю, дабы ударяющая молния больше на них, нежели на головах человеческих и на храминах, силы свои изнуряла». Это образное определение роли молниеотводов остается справедливым.

Защитное действие молниеотводом основано на том, что во время лидерной стадии на вершине молниеотвода скапливаются заряды и наибольшие напряженности электрического поля создаются на пути между развивающимся лидером и вершиной молниеотвода. Возникновение и развитие с молниеотвода встречного лидера еще более усиливает напряженность поля на этом пути, что окончательно предопределяет удар в молниеотвод. Защищаемый объект, более низкий чем молниеотвод, будучи расположен поблизости от него, оказывается заэкранированным молниеотводом и встречным лидером и поэтому практически не может быть поражен молнией. Защитное действие молниеотвода характеризуется его зоной защиты.

7

Зона защиты молниеотвода – пространство вблизи молниеотвода, вероятность попадания молнии в которое не превышает определенного достаточно малого значения.

Молниеотводы по типу молниеприемников подразделяются на стержневые и тросовые. Стержневые молниеотводы выполняются в виде вертикально установленных стержней (мачт), соединенных с заземлителем. Тросовые – в виде горизонтально подвешенных проводов. По опорам, к которым крепится трос, прокладываются токоотводы, соединяющие трос с заземлителем.

Открытые распределительные устройства подстанций защищаются стержневыми молниеотводами, а линии электропередачи – тросовыми.

6.1.2.2 Зоны защиты молниеотводов

Стержневые молниеотводы

Зона защиты одиночного стержневого молниеотвода высотой h≤150 м

представляет собой круговой конус (рис.6.4) с вершиной на высоте h 0<h, сечение которого на высоте hx имеет радиус rx.

Рис. 6.4 Сечение зоны защиты стержневого молниеотвода

Граница зоны защиты находится по формулам (все размеры в метрах).

Для вероятности прорыва молнии через границу зоны защиты не превышающей 0,005 (Рпр=0,005):

h0=0,85h (6.11) rx=(1,1-0,002h)(h-hx/0,85)

Если допустить вероятность прорыва молнии 0,05, то зона защиты расширяется. В ряде случаев такая зона удовлетворяет требованиям практики (для объектов до 30м число разрядов меньше 0,1 раз в год. Поэтому при

8

вероятности прорыва молнии 0,05 защищаемый объект будет поражаться не чаще чем 1 раз в 200 лет эксплуатации).

Зона защиты одиночного молниеотвода при Рпр=0,05 : h0=0,92h (6.12) rx=1,5(h-hx/0,92)

Зона защиты двух стержневых молниеотводов находящихся вблизи друг от друга, расширяется по сравнению с зонами отдельных молниеотводов. Возникает дополнительный объем зоны защиты, обусловленный совместным действием двух молниеотводов (рис.6.5)

Рис. 6.5 Зона защиты двойного стержневого молниеотвода

а) сечение вертикальной плоскостью проходящей через оси молниеотводов б) сечение горизонтальной плоскостью на высоте hx

Зона защиты двух близко расположенных стержневых молниеотводов описывается формулами:

При Рпр=0,005:

hmin=	h0 , при l≤h	(6.13)
	h0-(0,17+3 10-4h)(l-h) , при l>h
dx=	rx , при l≤h
	r0(hmin-hx)/hmin , при l>h
При Рпр=0,05:
hmin=	h0 , при l≤1,5h	(6.14)
	h0-0,14(l-1,5h) , при l>1,5h

9

dx= rx , при l≤1,5h r0(hmin-hx)/hmin , при l>1,5h

В выражениях (6.13, 6.14) r0 – зона защиты одиночного молниеотвода на уровне земли (hx=0)

Если расстояние l между молниеотводами превышает 3h (Рпр=0,005) или 5h (Рпр=0,05) каждый из молниеотводов следует рассматривать как одиночный.

Несколько близко расположенных молниеотводов образуют «многократный» молниеотвод. Его зона защиты определяется зонами защиты ближайших молниеотводов.

Тросовые молниеотводы

Для защиты протяженных объектов тросовые молниеотводы натягивают над защищаемым объектом и заземляют на опорах. Зона защиты определяется следующими соотношениями:

Для Рпр=0,005:

h0=0,85h (6.15) rx=(1,35-0,0025h)(h-hx/0,85)

Для Рпр=0,05:

h0=0,95h (6.16) rx=1,7(h-hx/0,92)

Для двух тросовых молниеотводов, расположеннных на расстоянии l друг от друга, наименьшая высота зоны защиты посредине между ними составляет:

hmin= h0 , при l<h	(6.16)
h0-(0,14+5 10-4h)(l-h) , при l≥h

10

ЛЕКЦИЯ 14

6.1.2.3Заземление молниеотводов

6.1.2.4Условие безопасного прохождения тока молнии по молниеотводу

6.1.2.5Конструктивное выполнение молниеотводов

6.1.3Защитные аппараты и устройства

6.1.2.3Заземление молниеотводов

Для устройства заземлений применяются вертикальные и горизонтальные электроды (заземлители). Для горизонтальных заземлителей используется полосовая сталь шириной 20-40 мм и толщиной не менее 4 мм, а также сталь круглого сечения диаметром не менее 6 мм. В качестве вертикальных заземлителей применяются стальные трубы, стержни и профильная сталь. На подстанциях заземлитель представляет собой сложную систему, состоящую из горизонтальных полос, объединяющих вертикальные электроды и образующих сетку на территории, занимаемой подстанцией. На ЛЭП в качестве заземлителя опор могут использоваться их железобетонные фундаменты.

Заземлитель характеризуется значением сопротивления, которое окружающая земля оказывает стекающему с него току. Сопротивление заземлителя зависит от его геометрических размеров и удельного

сопротивления грунта ρ, в котором он находится.

Для расчета сопротивления заземления одиночного стержневого молниеотвода или линейной опоры используются следующие формулы (6.18- 6.20):

сопротивление вертикальной трубы или стержня

		ρ		4l(2t +l)		(6.18)
	R =		ln
		2πl
			d(4t +l)

сопротивление горизонтальной полосы

R =	ρ	ln	1,5l		(6.19)
	πl			bt

сопротивление железобетонного фундамента

	R =1,7	ρ	ln	4t	(6.20)
		2πt		b

где

l – длина трубы или полосы, м;

t – глубина залегания полосы, верхнего конца вертикального электрода или нижнего конца фундамента, м;

b – ширина полосы или фундамента, м; d – диаметр трубы или стержня, м.

1

Расчетное значение удельного сопротивления грунта определяется по данным измерений как:

ρ=kρизм (6.21)

где:

k – сезонный коэффициент;

k =1,4 – если измерение проводилось при средней влажности воздуха; k =2,6 – при повышенной влажности воздуха

ρизм – измеренное значение ρ.

Ориентировочные значения ρ некоторых грунтов	Таблица 6.3
Грунт	ρ, Ом м
Многолетнемерзлый грунт	до 100 000
Скальный грунт	1000
Песок	500
Супесь	300
Суглинок	100
Глина	60
Чернозем	50
Торф	20
Речная вода	10-30
Морская вода	1-10

При больших импульсах тока – токах молнии – плотность проходящего через заземляющие электроды тока велика, поэтому в земле у поверхности электродов создаются очень высокие напряженности поля

E=Jρ, превосходящие пробивные напряженности грунта. Вокруг электродов образуются зоны искрения, увеличивающие их эффективные размеры и сопротивление заземления уменьшается.

С другой стороны быстрое нарастание тока молнии на фронте импульса создает падение напряжения на индуктивности протяженного заземлителя, что ограничивает отвод тока с удаленных его частей. При этом сопротивление заземления, наоборот, увеличится.

В результате влияния того или иного фактора (образования зоны искрения или падения напряжения на индуктивности) сопротивление заземлителя при прохождении тока молнии меняется.

Импульсное сопротивление Rи – сопротивление заземлителя при прохождении тока молнии.

Стационарное сопротивление R – сопротивление, измеренное при переменном напряжении и сравнительно небольшом токе или рассчитанного по 6.18-6.20.

Отношение импульсного и стационарного сопротивлений заземления называется импульсным коэффициентом

αи= Rи/ R

(6.22)

2

Пусть ток I стекает с вертикального заземлителя в виде стержня при t=0 (глубина залегания верхнего конца). На границе искровой зоны (рис.6.6), представляет собой цилиндрическую поверхность радиусом rиз, напряженность электрического поля:

	Eïð = Jρ =	I		ρ	(6.23)
		2πr	l
		èç

откуда

rèç = 2πIlEρïð

Сосредоточенные заземлители имеют тем меньшее Rи, и соответственно меньший импульсный коэффициент, чем больше ток молнии, проходящий через заземлитель и выше удельное сопротивление грунта

(рис.6.7)

RÈ

=

ρ

ln

2l

=

ρ

ln

4πl2Eïð

(6.24)

2πl

r

2πl

Iρ

èç

ln(

4πl2E

ïð

)

αÈ

=

Iρ

(6.25)

ln

2l

r

Анализ

протяженного горизонтального заземлителя без учета

искровых процессов, который здесь не приводится из-за его громоздкости, приводит к следующему выражению для импульсного коэффициента:

	αÈ =1+	L0l		(6.26)
		3τô R
	где L0=0,2(ln(l/r)-0,31) – индуктивность единицы длины
			горизонтального	заземлителя мкГн/м;

τф – длительность фронта тока молнии, мкс.

Импульсный коэффициент протяженного горизонтального заземлителя больше единицы, и чем больше его длина и меньше

длительность фронта импульсного тока, тем выше значение αи. Следует иметь в виду, что у поверхности протяженного заземлителя имеют место искровые процессы, однако они ослабевают по мере удаления от начала заземлителя, поскольку уменьшаются его потенциал и плотность стекающего тока. При малых длинах горизонтального заземлителя, когда плотности тока велики, искровые процессы могут привести к уменьшению импульсного

коэффициента до αи≤1.

Если заземлитель состоит из n труб или полос, то его импульсное сопротивление равно:

RÈ	=	αÈ R	(6.27)
		ηÈ n

3

где ηи – импульсный коэффициент использования заземлителя, учитывающий ухудшение условий растекания тока молнии вследствие взаимного экранирования электродов

Таблица 6.4

Значения импульсных коэффициентов αи и ηи

Заземлитель	αи при удельном сопротивлении ρ,				ηи
	Ом м
	100	200	500	1000
Вертикальные стержни,
соединенные полосой
(расстояние между стержнями
вдвое больше их длины)	0,5	0,45	0,3	-	0,75
2-4 стержня	0,7	0,55	0,4	0,3	0,75
8 стержней	0,8	0,7	0,55	0,4	0,75
15 стержней
Две горизонтальные полосы
длиной по 5м, расходящиеся в	0,65	0,55	0,45	0,40	1,0
противоположные стороны от
точки присоединения
токоотвода
Три горизонтальные полосы
длиной по 5м, симметрично	0,7	0,60	0,50	0,45	0,75
расходящиеся от точки
присоединения токоотвода

Сопротивление заземлителя подстанции в виде сетки, которая состоит из вертикальных электродов, объединенных горизонтальными полосами, рассчитывается по эмпирической формуле:

R = ρ(	A			+	1	)	(6.28)
					L + nl
		S

где L – суммарная длина всех горизонтальных заземляющих электродов; n и l – число и длина вертикальных электродов;

S – площадь, занятая заземлителем;

ρ- расчетное значение удельного сопротивление грунта;

А– коэффициент, определяемый по значению l/√S ;

l/√S	0	0,05	0,1	0,2	0,5
А	0,44	0,40	0,37	0,33	0,26

Ориентировочные значения коэффициента αи для заземлителей в

виде сеток приведены на рис.6.8. Для протяженных заземлителей (√S>10 м) импульсный коэффициент можно оценить по приближенной формуле

αÈ =	1500 S	(6.29)
	(ρ +320)(IM + 45)

4

где S – площадь, занятая заземлителем, м2; Iм - ток молнии, кА.

6.1.2.4Условие безопасного прохождения тока молнии по молниеотводу

При прохождении тока молнии по молниеотводу создается падение напряжения на сопротивлении заземлителя молниеотвода и на индуктивности токоотвода. Максимальный потенциал в точке молниеотвода, расположенной на расстоянии l от заземлителя наступает в момент

максимума тока молнии		(6.30)
Ul=IMRи+aL0l
где L0	– индуктивность единицы длины токоотвода;
L0	= 1,7 мкГн/м – для металлических молниеотводов решетчатой

конструкции, а также для отдельно проложенных токоведущих спусков

Учитывая достаточно малое число ударов молнии в такие объкты, как например, подстанции в качестве расчетных значений принимают:

IM=60 кА; a=30 кА/мкс.

Безопасное расстояние по воздуху от молниеотвода определяется как

Eдоп lв=IMRи+aL0l , откуда

lB ≥ IM RÈ + aL0l

EBäîï

тогда при допустимой напряженности электрического поля в воздухе EВдоп=500 кВ/м и принятых расчетных параметров молнии получаем:

lB ≥ 60RÈ +30 1,7 l 500

lв≥0,12Rи+0,1l (6.31)

Расстояние в земле lз между заземлителем отдельно стоящего молниеотвода и ближайшей к нему точкой защищаемого устройства в земле при допустимой напряженности электрического поля в земле EЗдоп=300 кВ/м рассчитывается как:

lÇ ≥ IM RÈ

EÇäîï

lÇ ≥ 60300RÈ = 0,2RÈ

При этом lз должно быть не менее 5 м, а lз – не менее 3 м.

5