Глава 2. Защита от прямых ударов молнии. Зоны защиты стержневых молниеотводов

§2.1. Защита от прямых ударов молнии

Молниеотводы как средство защиты от прямых ударов молнии применялись задолго до начала нашей эры, но получили всеобщее признание только в середине XVIII века в результате работ Ломоносова и Франклина.

Назначение молниеотводов — воспринять подавляющее число ударов молнии в пределах защищаемой территории и отвести ток молнии в землю.

Каждый молниеотвод состоит из молниеприемника, возвышающегося над защищаемым объектом, заземлителя и токоотвода, соединяющего молниеприемник с заземлителем. По типу молниеприемников различают стержневые и тросовые молниеотводы. Стержневые молниеотводы выполняются в виде вертикально установленных стержней (мачт), соединенных с заземлителем, а тросовые — в виде горизонтально подвешенных тросов. Металлический стержневой молниеотвод или опора одновременно выполняют функции токоотвода. Если же молниеприемник молниеотвода (стержень, трос) расположен на изолирующих опорах (дымовые трубы, деревянные опоры), то по ним прокладываются тросы, соединяющие молниеприемник с заземлителем.

Защитное действие молниеотводов основано на явлении избирательной поражаемости молнией высоких объектов. Высота над поверхностью земли, при которой лидер начинает ориентироваться по направлению к наиболее высокому наземному объекту, называется высотой ориентировки молнии (Н). Если головка лидера на высоте ориентировки находится в точке, расположенной над молниеотводом, то разряд поразит молниеотвод. По мере удаления точки ориентировки от молниеотвода повышается вероятность удара молнии в землю, а при достаточном удалении точки ориентировки от молниеотвода разряды будут поражать в основном землю.

Если вблизи молниеотвода поместить более низкий по высоте защищаемый объект, то при определенном расстоянии между молниеотводом и объектом разрядное напряжение промежутка лидер молнии — объект будет всегда больше разрядных напряжений промежутков лидер — молниеотвод и лидер — земля. Объект будет защищен от прямого удара молнии.

Необходимым условием надежной защиты является хорошее заземление молниеотвода, так как при ударе молнии в плохо заземленный молниеотвод на нем создается весьма высокое напряжение, способное вызвать пробой с молниеотвода на защищаемый объект.

§2.2. Зоны защиты молниеотводов

Зоной защиты принято называть определенное пространство вокруг молниеотвода: удары молнии в объект, полностью расположенный в этом пространстве, маловероятны. Поскольку разрядные напряжения длинных воздушных промежутков имеют значительные статистические разбросы, молниеотводы обеспечивают защиту объекта лишь с некоторой, но достаточно высокой степенью надежности (до 0,999). Зоны защиты молниеотводов определяются опытным путем на моделях. При этом принимается, что зоны защиты реальных молниеотводов геометрически подобны зонам, полученным для лабораторных моделей. В качестве «модели» молнии используется импульсный искровой разряд (рис. 5.1), который в длинных промежутках имеет две основные стадии развития — лидерную и главную - и обладает, таким образом, качественным сходством с молнией.

Рис. 5.1. Схема опытов по определению зон защиты:

1 - электрод имитирующий конец лидерного канала на высоте ориентировки; 2 - модель молниеотвода; 3 - заземленная металлическая плоскость; 4 - генератор импульсных напряжений

Справедливость принятой методики определения зон защиты не может быть строго доказана, поэтому полученные в лаборатории зоны защиты имеют до некоторой степени условный характер. Однако надежность разработанных на основе лабораторных экспериментов рекомендаций подтверждена многолетним опытом эксплуатации молниеотводов, и это дает возможность с уверенностью пользоваться этими рекомендациями.

Определение радиуса зоны защиты на высоте h_x производится с помощью стержня высотой h_x, имитирующего защищаемый объект. Верхний электрод, модель молниеотвода и модель объекта находятся в одной плоскости и перемещаются друг относительно друга. При каждом взаимном расположении электродов производится определенное число разрядов. В результате находится максимальное расстояние r_x между объектом и молниеотводом, при котором объект не поражается разрядами. Это расстояние r_x является радиусом зоны защиты молниеотводов на высоте h_x.

Чем больше разрядов производится при каждом расположении электродов, тем с большей надежностью определяется радиус зоны защиты и тем меньше вероятность поражения объекта, расположенного в зоне защиты молниеотвода.

Рис. 5.2. Определение на модели зоны защиты стержневого молниеотвода

Аналогично производится определение зон защиты систем стержневых молниеотводов и тросовых молниеотводов.

Зоны защиты стержневых молниеотводов. Зона защиты одиночного стержневого молниеотвода (рис. 5.3) представляет собой пространство вблизи молниеотвода, ограниченное поверхностью вращения в виде «шатра», образующая, которой может быть найдена по эмпирической формуле

, ( 5.1)

где p=1 при h 30 м, = при h=30 -100 м.

Остальные обозначения видны на рисунке. Превышение высоты молниеотвода над высотой защищаемого объекта называется активной высотой молниеотвода (h — h_x =h_а).

Вместо использования (5.1) можно применить упрощенное построение очертаний защитной зоны, заменив криволинейную образующую ломаной линией (рис. 5.3). Один из отрезков этой ломаной аb является частью прямой, соединяющей вершину молниеотвода с точкой на поверхности земли, удаленной на расстояние 0,75ph от оси молниеотвода, а другой отрезок bс представляет собой часть прямой, соединяющей точку молниеотвода на высоте 0,8h с точкой на расстоянии 1,5ph от молниеотвода.

Рис. 5.3. Зона защиты стержневого молниеотвода (1) и ее упрощенное построение (2)

Зона защиты двух стержневых молниеотводов имеет значительно большие размеры, чем сумма зон защиты двух одиночных молниеотводов. Выше отмечалось, что при R = 3,5h (рис. 5.2) все разряды попадают в молниеотвод (R называется радиусом зоны 100%-ного попадания). Очевидно, что если два молниеотвода находятся на расстоянии а=2R =7h, то точка поверхности, лежащая посередине между молниеотводами, не будет поражаться молнией. Если нужно защитить точку, находящуюся посередине между молниеотводами высотой h на высоте h_о, то расстояние между молниеотводами на высоте h_o должно составлять а<7р(h— h_о). Если известны высота и расстояние между молниеотводами, то высота защищенной точки посредине между молниеотводами находится как:

h_о= h-a/7p. (5.2)

Внутренняя часть зоны защиты двух стержневых молниеотводов (рис. 5.4) в плоскости, проходящей через оба молниеотвода, ограничивается дугой окружности, которую можно построить по трем точкам: две из них — вершины молниеотводов, а третья расположена посередине между молниеотводами на высоте h_o. Внешняя часть зоны защиты строится так же, как и для одиночных стержневых молниеотводов. Построение сечений зоны защиты понятно из рис. 5.4.

Рис. 5.4. Зона защиты двух стержневых молниеотводов

Такие объекты, как открытые распределительные устройства подстанций, располагаются на достаточно большой территории и поэтому защищаются несколькими молниеотводами. В этом случае внешняя часть зоны защиты определяется так же, как и зона защиты двух молниеотводов. Объект высотой h_х, находящийся внутри остроугольного треугольника или прямоугольника, в вершинах которого установлены молниеотводы, защищен в том случае, если диаметр окружности, проходящей через вершины треугольника, в которых установлены молниеотводы, или диагональ прямоугольника, в углах которого находятся молниеотводы, удовлетворяют условию:

D  8p(h-h_x)= 8ph_a. (5.3)

При произвольном расположении молниеотводов условие (5.3) должно быть проверено для каждых трех ближайших друг к другу молниеотводов в отдельности. При всех условиях высота h_x должна быть меньше фиктивной высоты h_o, определенной для каждой отдельно взятой пары молниеотводов.