4.5. Атмосферные перенапряжения
4.5.1. Параметры молнии
Молния – это электрический разряд между облаком и землей или между облаками. На начальной, лидерной стадии, молния представляет собой относительно медленно развивающийся слабо светящийся канал (лидер). Зона ионизации лидера имеет избыточный заряд того же знака, что и облако. Заряды облака и лидера индуцируют на поверхности земли и на расположенных на ней объектах заряды другого знака, которые могут инициировать встречные лидеры, имеющие заряды, по знаку обратные заряду лидера. Когда канал развивающегося от облака лидера приближается к земле или к одному из встречных лидеров, то между ними на расстоянии 25…100 м возникает высокая напряженность электрического поля, среднее значение которой оценивается в 10 кВ/см. Этот промежуток пробивается за несколько микросекунд, в нем выделяется энергия порядка 0,5…5,0 МДж, которая расходуется на нагрев и термоионизацию. Проводимость этой части канала резко возрастает, и зона повышенной напряженности перемещается по направлению к облаку со скоростью от 1,5 × 107 до 1,5 × 108 м/с (0,05–0,5 от скорости света). Этот процесс, называемый главным разрядом, сопровождается сильным свечением канала разряда. Ток в канале за 5…10 мкс достигает десятков и даже сотен килоампер, а затем за время 25…200 мкс спадает до половины амплитудного значения. Во время главного разряда происходит нейтрализация зарядов лидера.
К основным параметрам молнии относятся:
амплитуда тока молнии Iн (кА);
крутизна фронта тока молнии а (кА/мкс);
,
где τф – длительность фронта тока молнии;
вероятность амплитуды тока молнии P(IМ) = exp(–0,04Iм),
вероятность крутизны тока молнии P(a) = exp(–0,08 a),
где P(IM) и P(a) – вероятности того, что соответственно ток молнии и крутизна будут равны или превысят заданные значения.
При расчетах молниезащиты ЛЭП, подстанций или других объектов важно знать интенсивность грозовой деятельности в данной местности, которая характеризуется средним числом грозовых часов в году Dг. Другой характеристикой грозовой деятельности является среднее число ударов молнии nуд в 1км2 поверхности земли за 100 грозовых часов. Значение nуд = 6,7 1/км2 за 100 грозовых часов.
4.5.2. Молниеотводы
Защита от прямых ударов осуществляется с помощью молниеотводов. Молниеотвод представляет собой устройство, возвышающееся над защищаемым объектом, 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 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 молниеотводов. Возникновение и развитие с молниеотвода встречного лидера еще более усиливает напряженности 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, т. е. пространством вблизи молниеотвода, вероятность попадания молнии в которое не превышает определенного, достаточно малого значения.
Молниеотводы по типу молниеприемников разделяются на стержневые и тросовые. Стержневые молниеотводы выполняются в виде вертикально установленных стержней (мачт), соединенных с заземлителем, а 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. Для защиты шинных мостов и гибких связей большой протяженности также могут применяться тросовые молниеотводы.