Молниеприемники и токоотводы

СРЕДСТВА МОЛНИЕЗАЩИТЫ

МОЛНИЕОТВОДЫ

Принцип действия молниеотводов. Молниеотвод представляет собой возвышающееся над защищаемым объектом (ЗО) устройство, через которое ток молнии, минуя защищаемый объект, отводится в землю. Еще в1753 г. М.В.Ломоносов объяснил защитное действие молниеотводов, а в 1800 г. Август Вицман издал в Петербурге правила устройства молниеотводов с основными элементами: молниеприемник, токоотвод, заземлитель. Принцип действия молниеотводов основан на том, что во время лидерной стадии молнии на вершине молниеотвода скапливаются индуктированные заряды, при этом наибольшая напряженность электрического поля (ЭП) создается на пути между развивающимся лидером и вершиной молниеотвода. Возникновение и развитие с вершины молниеотвода встречного лидера ещё более усиливает напряженность поля на этом пути, что и предопределяет удар молнии в молниеотвод. Защищаемый объект, будучи более низким по отношению к вершине молниеотвода, оказывается экранированным молниеотводом, что и обуславливает уменьшение вероятности поражения объекта. Важную роль в отведении молнии от защищаемого объекта играет низкое сопротивление заземления. Молниеприемники молниеотводов разделяют на стержневые (на зданиях постов ЭЦ, домов связи) и тросовые (на воздушных ЛЭП вблизи подстанций).

Зоны защиты молниеотводов. Зоны защиты молниеотводов высотой h <30 м были опреде­лены в 1936-1940 гг. А.А. Акопяном на основе обширных лабораторных исследований. Надежность их подтверждена дли­тельным опытом эксплуатации и оценивается как 0,999. Они вошли как составная часть в ряд нормативных документов. В последующем установленные зоны защиты были распростра­нены на молниеотводы высотой до 100 м, при этом А.А. Акопя­ном была введена поправка, учитывающая снижение эффектив­ности молниеотводов высотой больше 30 м вследствие боковых ударов молнии, поражающих молниеотвод в точках ниже его вершины.

В качестве аналога молнии использовался искровой разряд, происходивший под воздействием импульсов 1,5/1000 мкс поло­жительной полярности с максимальным значением, близким к 50%-ному разрядному напряжению. Отношение высоты располо­жения высоковольтного электрода к высоте модели молниеотво­да H/h принималось при h <30 м равным 20 для стержневых и 10 для тросовых молниеотводов. Для молниеотводов высотой h>30 м в принятом масшта­бе моделирования устанавливались значения H = 600 м для стер­жневых и H = 300 м для тросовых молниеотводов.

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 позволяет с уве­ренностью пользоваться этими рекомендациями.

Определение зон защиты производится следующим образом. Электрод, расположенный на высоте Н (рис. 1), смещается от­носительно модели стержневого молниеотвода в горизонталь­ном направлении. Опыт показывает, что при R = 3,5h все разря­ды поражают молниеотвод. При несколько большем R, часть разрядов попадает в землю на расстоянии r от молниеотвода.

Рис.1 К определению на модели зоны защиты

стержневого молниеотвода

Минимальное значение r ₀ является радиусом зоны защиты на уровне земли.

Определение радиуса зоны защиты на высоте h_x производится с помощью пробного стержня высотой h_x. В результате перемещения этого стержня и высоковольтного электро­да относительно модели молниеотво­да (все они находятся в одной плос­кости) находится максимальное расстояние r_х между молниеотводом и пробным стержнем, при ко­тором последний не поражается разрядами. Это расстояние r_х является радиусом защиты молниеотвода на высоте h_x.

Зоны защиты молниеотводов высотой h ≤ 30 м были определены ещё в 1936-1940 г.г. Акопяном А.А. и легли в основу нормативных документов. Расчет ведут по эмпирической формуле , где - радиус образующей на высоте h_х защищаемого объекта; р = 1 при h ≤ 30 м; h - высота молниеотвода. Например, если h_х = 0 и h = 30 м, то r_x = 1,6 h = 1,6*30 = 48 м; если h_х = 0,5 h, то r_x = 1,6 h/ 3 = 1,6*30/3 = 16 м. Можно по этим точкам построить разрез "шатра" и показать r_x, h, h_х (рис.2).

Рис.2 Построение зоны защиты стержневого молниеотвода

При определении зоны защиты удобно криволинейную обра­зующую заменить ломаной линией 2, построение которой понятно из рис. 2.

Существуют формулы для построения зон защиты зданий с помощью двух и более молниеприемников. Кроме рассмотренного метода расчета зоны защиты молниеотводов, имеются и другие, например, электрогеометрический метод, который учитывает вероятностные свойства молний и предполагает, что с вершины молниеприемника развивается встречный лидер.

Молниеприемники и токоотводы. Если крыша железная (металлическая), то специального молниеприемника не делают. При этом крышу заземляют с помощью минимум двух токоотводов. При длине здания больше 20 м токоотводы устанавливаются через каждые 20 м. Если токоотвод выполняется проволокой круглого сечения, то достаточно иметь диаметр 5-6 мм. Для заземления используют либо искусственный заземлитель (вертикальный глубинный стержневой диаметром 18-20 мм и длиной 1,5 м, горизонтальный из уголка 48*2,5 мм или полосы 48*4 мм), или естественный заземлитель (металлические трубы, уложенные в земле, обсадные трубы артезианских колодцев, свинцовые оболочки кабелей).

Допустимые расстояния между молниеотводом и защищаемым объектом. Молниезащитное устройство, состоящее из молниеприемника, токотвода и заземлителя, обладает активным и индуктивным сопротивлениями. Заземлитель в основном обладает активным сопротивлением, токоотвод - индуктивным. Тогда максимальный потенциал U_l в точке токоотвода на расстоянии l от заземлителя возникает в момент максимума тока молнии: , где - максимум амплитуды тока молнии; R_З - сопротивление заземления; L₀ =1,7 мкГн/м - погонная индуктивность отдельно проложенного спуска (токоотвода); di/dt - крутизна фронта импульса молнии. В электроэнергетике принимают =60 кА, di/dt =30 кА/мкс (из вероятности появления около 10%). Тогда U_l =60* R_З +51* l. Если принять для СЖАТ R_З = 10 Ом, l = 10 м, то получим U_l = 60*10+51*10 = 600+510 =1110 кВ. Очевидно, чтобы не было пробоя с молниеотвода на защищаемый объект, требуется выполнение условия в ≥ U_l /Е, где E - допустимая средняя напряженность электрического поля в воздухе, при которой невозможен пробой (принимается 500 кВ/м). Следовательно, в ≥ (60* R_З +51* l) / 500 = 0,12 R_З + 0,1 l (это условие по защите от пробоя по воздуху). При R_З =10 Ом и l = 10 м имеем в = 2,2 м. Но возможен пробой и по грунту с заземлителя на контур, например, защитного заземления поста ЭЦ или дома связи. Между ними тоже надо выдержать расстояние d ≥ I_М * R_З / Е_З. Здесь Е_З - пробивная напряженность электрического поля в земле, для неоднородных грунтов она составляет 300-550 кВ/м. Обычно принимают 300 кВ/м. Тогда в рассматриваемом примере d ≥ 60*R_З/300 = 0,2 R_З. При R_З = 10 Ом получим d = 2 м. В проектных решениях придерживаются в ≥ 5 м, d ≥ 3 м. В качестве примера оценим ситуацию установки ПК у стенки дома моноблочной конструкции с арматурой внутри несущих конструкций стен. Расстояние между этажами примем 2,5 м. Тогда на 10-м этаже (примерно 30 м над землей) получим U_l = 60*10+50*30 = 600+1500 =2500 кВ относительно ПК. Пробой и повреждение ПК весьма вероятны.

Молниеприемники и токоотводы

Молниеотводы могут устанавливаться как вблизи защищае­мых объектов, так и на самих объектах.

Для отдельно стоящих молниеотводов в качестве несущих элементов используются железобетонные или деревянные стойки (при высоте до 20 м). Для токоотвода используется металличе­ская арматура железобетонных стоек, по деревянным стойкам прокладывается специальный токоведущий спуск к заземлителю. При высоте более 20 м применяют стальные решетчатые конст­рукции. Молниеотводы рекомендуется выполнять в виде свобод­но стоящих конструкций без растяжек.

В качестве несущих устройств для крепления токоведущих частей молниеотводов должны использоваться, где это возмож­но, конструкции самих защищаемых объектов. Например, на подстанциях молниеприемники могут устанавливаться на металлических порталах, предназначенных для подвески ошиновок, а сами порталы могут использоваться в качестве токоотводов, со­единяющих молниеприемники с заземлителем.

Если молниеотвод устанавливается, например, на здании, то он защищает от поражения молнией крышу здания и располо­женные на ней детали (трубы, башни, скульптурные украшения и т.п.). От молниеприемника по наружной поверхности стен здания прокладываются токоотводы к заземлителю.

Если здание имеет железную крышу, то, естественно, уста­новка специального молниеприемника не требуется. Его роль выполняет железная крыша, которую следует надежно заземлить по крайней мере двумя токоотводами. При длине здания свыше 20 м через каждые 20 м должны быть устроены дополнительные токоотводы к заземлителю. Все находящиеся на крыше здания выступающие детали снабжаются отдельными молниеприемниками, надежно присоединенными к крыше. Металлические крыши башен также электрически соединяются с крышей здания. Трубы, выполненные из непроводящего материала, снаб­жаются молниеприемниками из стального прутка, проложенны­ми по периметру труб по верхнему краю и соединенными с крышей здания. В скульптурные фигуры при их изготовлении за­кладываются стальные прутья, выступающие на 20-30 см над фигурой и присоединяемые снизу к крыше, или же по поверхно­сти скульптурных фигур прокладываются стальные прутки, если закладка их внутрь не была предусмотрена.

Если крыша здания выполнена из непроводящего материала, то можно снабдить ее молниеприемником в виде сетки из сталь­ных прутьев диаметром 8 мм с размером ячейки 5x5 м² (узлы сетки свариваются). В остальном защита осуществляется так же, как и для здания с железной крышей: дополнительные молние­приемники, установленные на выступающих частях здания, при­вариваются к стальной сетке на крыше, а сетка токоотводами соединяется с заземлителем.

В зданиях городского типа в качестве токоотводов могут быть использованы водопроводные и канализационные трубы, металлический каркас здания, а также арматура железобетонно­го каркаса здания, если при надлежащем соединении она образует сплошной путь от молниеприемника до заземлителя. В качест­ве дополнительных токоотводов могут быть использованы по­жарные лестницы и водосточные трубы при условии надежного соединения их частей.

В домах сельского типа молнией поражаются преимущест­венно дымовые трубы, коньки крыш, края фронтонов от конька до нижнего края крыши. Если крыша не металлическая, то в этом случае не следует на ней устраивать сетку из стальных прутков. Достаточно проложить стальной прут в местах наибо­лее вероятного поражения молнией, т.е. по коньку крыши и по краям фронтонов, и соединить его с заземлителем двумя токоот­водами. На вершине дымовой трубы также следует проложить стальной пруток (или установить стержень, возвышающийся над трубой на 20-50 см) и соединить его с токоотводом.

Все элементы молниезащитного устройства должны иметь достаточное сечение, чтобы под действием тока молнии не про­исходило их перегревания, а тем более расплавления.

Рекомендуется применять стальные молниеприемники сече­нием 50-100 мм² для стержневых и однопроволочных тросовых молниеотводов. Поперечное сечение стальных многопроволоч­ных тросов должно быть не менее 35 мм².

Например, при S = 50 мм² повышение температуры стального токоотвода составляет примерно 400 К, т.е. даже при таких высоких параметрах тока молнии (удельной энергии) нагрев токоотвода не является чрезмерным.

Допустимые сечения токоотводов указаны в табл. 1 с учетом различной степени коррозии при расположении внутри и снаружи сооружения, а также в земле.

Если имеется несколько токоотводов, соединенных парал­лельно и по каждому из них может проходить лишь часть тока молнии, то сечение может быть уменьшено.

Токоотводы следует прокладывать от молниеприемника к за­землителю по кратчайшим путям. На всем протяжении они не должны образовывать петель или острых углов (рис. 3). В противном случае возможны пробои между точками 1 и 2 (рис. 4) токоотводов, а также обрывы их под действием элект­родинамических сил, возникающих при прохождении по ним тока молнии. На рис. 4 эти силы показаны стрелками.

Присоединение частей молниезащитного устройства друг к другу лучше всего производить с помощью сварки. Могут при­меняться также болтовые соединения и заклепки. Во всех случа­ях площадь контакта между соединяемыми деталями должна быть не меньше удвоенного сечения этих деталей.

Токоотводы крепятся к несущей конструкции (опоре) мол­ниеотвода или к стене здания через каждые 1,5-2 м. Токоотвод, имеющий надлежащее сечение, может соприкасаться со стеной деревянного дома или с деревянной опорой молниеотвода.

Для предохранения от коррозии молниеприемники и токоот­воды должны быть покрашены или оцинкованы. Применение в качестве токоотводов многопроволочных стальных тросов по условиям коррозии не рекомендуется, если же они и используют­ся, то только в оцинкованном виде.

Литература

1. Кужекин И.П., Ларионов В.П., Прохоров Е.Н. Молния и молниезащита. - М.: "Знак", 2003. - 330 с.