Основным средством защиты являются молниеотводы, состоящие из молниеприемника, спуска и заземлителя. По типу молниеприемники разделяют на стержневые и тросовые.
Защитное действие молниеотвода основано на том, что между приемником и лидером молнии создается наиболее сильное электромагнитное поле, в результате чего разряд ориентируется на молниеотвод. Очевидно, что эффективность молниеотвода зависит от исполнения и соединения всех его основных элементов.
Для повышения эффективности молниеотвода может использоваться активный молниеприемник, в который монтируется капсула с радиоактивным веществом, создающим ионизационную зону, куда ориентируется разряд.
Зоной защиты молниеотвода считают область, куда попадание молнии маловероятно, т.е. молниеотвод не может обеспечить 100% защиты.
Зона защиты определяется аппроксимационной формулой вида
.
При построении зоны защиты могут быть использованы упрощенные соотношения
Для высот
а) | б) |
Рис.2 |
При использовании молниеотводов 30 м вводится поправочный коэффициент .
; .
Рис. 3
Зона защиты тросового молниеотвода может быть построена подобно зоне стержневого, но, поскольку защищаемый провод находится в верхней части зоны, более удобно использовать понятие «угла защиты» , который не должен превышать .
Несмотря на защиту тросами из-за большой протяженности ЛЭП число отключений довольно значительно (для ЛЭП 110¸220кв ~0,03 на 100 км в год), хотя тросовая защита обеспечивает снижение поражений ЛЭП в 300 раз.
Объект защиты должен располагаться внутри зоны, но быть удаленным от молниеприемника, спуска и заземлителя.
Молниеотвод обладает рассредоточенными , , и наводимое в нем падение напряжения велико.
а) | б) |
Рис.4 |
Для косоугольной формы волны тока молнии максимальный потенциал равен
, где
- амплитуда тока молнии (150кА)
- импульсное сопротивление заземлителя
- индуктивность участка токопровода от заземлителя до рассматриваемой точки
- крутизна тока молнии
Для молниеотводов в виде решеток и отдельных спусков
,
тогда
При =10 ом и =10м
Это напряжение определяет минимальное расстояние между молниеотводом и объектом для предотвращения перекрытия
, принимая
Если объект заглублен в землю около молниеотвода (резервуар)
, ,
Примечание: расчет проведен от точки 0 потенциала, за которую принят заземлитель. На самом деле эта точка находится на удалении от заземлителя, и высокий потенциал возникает уже на нем самом и может привести к перекрытию в самом неожиданном месте.
Задача 2-1. Молния поражает не защищенный тросом провод линии. Определить амплитуду напряжения, действующего на гирлянду изоляторов опоры, ближайшей к месту удара молнии. Волновое сопротивление канала молнии 300 Ом, волновое сопротивление провода с учетом импульсной короны 350 Ом. Ток молнии (статистический) 100 кА.
Решение. Амплитуду волны перенапряжения, распространяющейся по проводу в обе стороны и достигающей гирлянды, получим, считая, что при ударе в провод действительный ток вдвое меньше статистического, а эквивалентное волновое сопротивление двух проводов вдвое меньше сопротивления одного провода:
.
Практически тот же результат можно получить, используя схему замещения по Петерсену, содержащую волновое сопротивление канала молнии и эквивалентное сопротивление двух лучей провода:
где - напряжение падающей волны.
Задача 2-2. Грозовой разряд произошел в столб телеграфной линии, расположенный на удалении 60 м от линии электропередачи напряжением 35 кВ. Зарегистрированная величина тока 60 кА. Определить величину индуктированного перенапряжения на проводах линии и кратность этого перенапряжения, если высота подвеса проводов на опорах 14 м, а стрела провеса 4,5 м.
Решение. Определим среднюю высоту подвеса проводов
.
Величина индуктированных напряжений:
.
Так как индуктированное напряжение можно принять одинаковым для всех трех проводов и учитывая, что оно действует на фазную изоляцию линии, определим кратность перенапряжения по отношению к фазному напряжению
.
Задача 2-3. Стержневой молниеотвод высотой 30 м защищает от прямого поражения молнией цилиндрический бак с горючим, целиком врытый в землю. Определить максимально допустимый диаметр бака.
Решение. В данном частном случае, когда высота защищаемого объекта равна нулю, высота молниеотвода равна его активной части, откуда имеем радиус защиты на уровне бака
.
Приняв минимально допустимое расстояние от молниеотвода до бака равным 5 м, получим допустимый диаметр
.
Расчет наведенного напряжения может производится по схеме замещения
а) | б) |
Рис.5 |
- волновое сопротивление канала молнии ( =300 Ом),
- крутизна тока молнии (кА/мкс)
, где
-индуктивность опоры
- высота опоры [м],
для металлических опор, 250 Ом - для деревянных.
- индуктивность троса
для одиночного троса,
для двойного троса,
-длина пролета [м]
- импульсное сопротивление заземлителя [Ом].
Частота отключений линий с тросами
,
где первое слагаемое учитывает вероятность удара в середине пролета,
-вероятность перехода перекрытия в дугу, второе слагаемое учитывает вероятность удара в опору.
При выполнении молниеотвода все элементы его должны быть проверены на нагрев.
Энергия, которая выделяется при прохождении тока молнии
,
причем в расчет должны быть включены все импульсы тока, а не только первый.
Т.к. фронт молнии очень крутой, то нагревом за это время можно пренебречь
, считая, что
Считая процесс ввиду его кратковременности адиабатическим, т.е. все выделяющееся тепло идет на повышение температуры
,
где -плотность матеиала провода, - средняя удельная теплопроводность, - сечение проводника,
.
Для стали
при
.
Практически берется проводник сечением 50 мм2 ()