2.2. Конструкция и защитные характеристики молниеотводов

Хорошо известным средством грозозащиты являются молниеот­воды — надежно заземленные металлические стержни или прово­да, расположенные вблизи защищаемого объекта таким образом, что подавляющее большинство разрядов молнии попадает в них, минуя объект, и ток молнии отводится в землю. В частности, на линиях высокого напряжения в качестве молниеотводов применя­ются заземленные провода — тросы, подвешиваемые на опорах выше фазовых проводов.

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

Молниеотводом называют устройство, воспринимающее пря­мой удар молнии с целью защиты сооружения. Впервые правиль­ную оценку защитного действия молниеотводов дал великий рус­ский ученый М.В. Ломоносов еще в 1753 г.

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

Если вблизи молниеотвода поместить более низкий по высоте защищаемый объект, то при определенном расстоянии между ним и молниеотводом разрядное напряжение промежутка «лидер мол­нии — объект» будет всегда больше разрядных напряжений про­межутков «лидер — молниеотвод» и «лидер — земля». При таком условии объект окажется защищенным от прямых ударов молнии.

Необходимым условием надежной защиты является хорошее заземление молниеотвода, так как в противном случае при ударе молнии на нем создается весьма высокое напряжение, способное вызвать пробой с молниеотвода на защищаемый объект. Молние­отвод должен быть сконструирован и расположен так, чтобы не произошло обратного перекрытия с него на объект. Разность по­тенциалов между молниеотводом и объектом, которая возникает при ударе молнии в молниеотвод, не должна превышать некото­рой критической величины.

Каждый молниеотвод состоит из молниеприемника, возвыша­ющегося над защищаемым объектом, заземлителя и токоотвода, соединяющего молниеприемник с заземлителем. По типу различа­ют стержневые и тросовые молниеотводы. Металлический стерж­невой молниеотвод или опора одновременно выполняют функции 52 токоотвода. Если молниеприемник расположен на изолирующих опорах, которыми могут являться дымовые трубы или деревянные опоры, то по ним прокладывается трос, соединяющий его с заземлителем.

Стержневые молниеотводы

Для защиты электроустановок энергосистем применяются стерж­невые молниеотводы (рис. 2.1). Они устанавливаются отдельно или укрепляются на зданиях и конструкциях подстанций. В качестве не­сущих конструкций для крепления токоведущих частей молниеот­водов должны использоваться конструкции самих защищаемых объектов. Например, на подстанциях молниеприемники могут ус­танавливаться на металлических порталах, предназначенных для подвески ошиновки, а сами порталы могут использоваться в каче­стве токоотводов, соединяющих молниеприемники с заземлителем.

Для отдельно стоящих молниеотводов в качестве несущих эле­ментов применяются железобетонные или деревянные стойки при высоте до 20 м. Металлические стержневые молниеотводы бывают двух видов — трубчатые и составные (с опорными фермами) (см. рис. 2.1,а,б). Первые из них высотой 10м устанавливаются на кон­струкциях подстанций и крышах зданий, вторые — на земле, высо­та последних достигает 75 м. Стержневые молниеотводы укрепля­ются на мачтах из хорошо пропитанного антисептиками хвойного дерева или других изолированных от объектов конструкциях. Ввер­ху они имеют металлический шпиль, к которому присоединяется токоотвод из стального провода сечением 50 мм², идущий вдоль мачты. Сечение токоведущих частей молниеотвода определяется их термической стойкостью. При указанном сечении провода его тем­пература повысится примерно до 600 °С, что можно считать прием­лемым, так как за основу в расчетах принимаются предельные пара­метры молнии, вероятность которых очень мала. Для предохране­ния от атмосферной коррозии токоотводы покрываются защитным слоем лака или эмали либо оцинковываются. По этой причине при­менение стального многопроволочного троса не рекомендуется.

Молниеотвод должен иметь надежное заземление сопротивле­нием 10—15 Ом, а заземлитель — оптимальные размеры, которые определяются величиной тока и скоростью его нарастания. При больших токах, характерных для молнии, напряженность электри­ческого поля в земле вблизи поверхности заземлителя превышает пробивную напряженность грунта. В земле возникают искровые процессы, которые как бы увеличивают размеры заземлителя и уменьшают его сопротивление. Однако при больших скоростях на­растания и изменения тока по времени, характерных для молнии, начинает сказываться индуктивность заземлителя. Если заземлитель достаточно длинный, то с его удаленных участков из-за вли­яния индуктивности стекает меньший ток, чем в стационарном режиме, вследствие этого эффективная длина заземлителя умень­шается и сопротивление его возрастает. В открытых распределительных устройствах заземление молниеотводов в большинстве случаев производится путем присоединения их к защитному заземлителю подстанции, который обычно представляет собой горизон­тальные полосы, объединяющие верхние электроды и образующие сетку на площади, занимаемой подстанцией.

Молниезащита высоких объектов имеет некоторые особенно­сти. Сооружать для этой цели еще более высокие отдельно стоящие молниеотводы нецелесообразно ни с технической, ни с экономи­ческой точек зрения, тем более их эффективность снижается с уве­личением высоты. Защита высоких объектов осуществляется с по­мощью молниеприемников, устанавливаемых на самом объекте. Поскольку такие объекты имеют металлический или железобетон­ный каркас, то он используется в качестве токоотвода. Для этого во время строительства предусматривается надежное соединение стальной арматуры железобетонных деталей каркаса.

Объекты высотой 100 м и более достаточно часто поражаются молниями. Например, в Останкинскую телебашню (высота 537 м) они попадают в среднем 30 раз в грозовой сезон, причем не только в вершину, но и в боковые выступающие части.

Для предотвращения разрушений в местах возможного пораже­ния молнией устанавливаются молниеприемники, соединяемые с каркасом сооружения. В этом качестве используются конструктив­ные элементы сооружения и специальные металлические провод­ники.

К каркасу объекта, являющемуся токоотводом, с целью вырав­нивания потенциалов по горизонтальным уровням (через каждые 15—20 м по высоте) присоединяются трубопроводы, протяженные металлические элементы, металлические экраны электропроводки и оболочки кабелей. Каркас объекта через каждые 20—30 м по его периметру присоединяется к заземляющему контуру.

Для защиты электрооборудования:

• все сети низкого напряжения как внутри, так и снаружи объек­та прокладываются в стальных трубах;

• корпуса всей электроаппаратуры, а также нейтрали трансфор­маторов присоединяются к каркасу;

• оболочки входящих в объект кабелей присоединяются в месте входа к каркасу или к заземляющему контуру.

На подстанциях напряжением 6—500 кВ трансформаторы, от­крытые распределительные устройства, шинные мосты, гибкие свя­зи, ЗРУ, маслохозяйство должны быть защищены от прямых ударов молнии. В зданиях и сооружениях, имеющих металлическую кров­лю, достаточно заземлять металлические части. ОРУ защищают стер­жневыми молниеотводами. Они устанавливаются на конструкциях ОРУ или прожекторных мачтах подстанции. Не допускается уста­новка молниеотводов на конструкциях ОРУ, находящихся на рас­стоянии менее 15 м от трансформаторов. Защита подстанций осуще­ствляется также отдельно стоящими молниеотводами с обособлен­ными заземлителями (сопротивлением не более 80 Ом).

Проведение всех этих мероприятий позволяет обеспечить безо­пасность людей, предохранить от разрушений внешние непрово­дящие элементы объекта и обеспечить безаварийную работу обо­рудования.

Тросовые молниеотводы

Тросовые молниеотводы (рис. 2.2) в виде стальных проводов про­тягиваются над рабочими проводами линий электропередачи.

Современные линии электропередачи, расположенные в различ­ных районах, находятся в неодинаковых климатических условиях и тем самым сильно отличаются друг от друга. Некоторые районы характеризуются слабой грозовой деятельностью, большим удель­ным сопротивлением грунтов, усиленным образованием гололеда, повышенной скоростью ветра и др. Многолетний опыт эксплуа­тации линий электропередачи на металлических опорах показал, что их защита по всей длине тросом является эффективным спо­собом, в этом случае обеспечивается высокий уровень грозоупорности.

В качестве грозозащитных тросов используются стальные мно­гопроволочные канаты сечением не менее 35 мм². В условиях хи­мического воздействия, на особо ответственных линиях в этом ка­честве применяются сталеалюминевые провода. Грозозащитные тросы подвешиваются с такой же длиной пролета, как и защищае­мые провода, стрела провеса троса должна быть не более стрелы провеса провода линии. Расстояние между тросом и проводом по вертикали на опорах ВЛ напряжением 35—330 кВ для габаритных пролетов определяется, исходя из условий защиты от перенапря­жений. На линиях напряжением до 35 кВ применение грозозащит­ных тросов не требуется.

На линиях с повышенной высотой опор при прямом ударе и большой крутизне тока молнии индуктивное падение напряжения ведет к увеличению потенциала на вершине опоры. Наличие одно­го троса при повышенной высоте опоры уменьшает экранирующее действие троса и тем самым увеличивает вероятность непосред­ственного поражения проводов.

Повышение грозоупорности на ли­ниях с напряжением 110—330 кВ можно достигнуть за счет сниже­ния сопротивления заземления опор. В этих случаях импульсное разрядное сопротивление заземления стремятся довести до 6—7 Ом, что соответствует 8—10 Ом при промышленной частоте.

Для повышения грозоупорности линий применяют два троса. Крепление тросов на всех опорах ВЛ напряжением 220—500 кВ должно быть выполнено с помощью изоляторов, шунтированных искровым промежутком 40 мм. На каждом анкерном участке дли­ной до 10 км тросы должны быть заземлены в одной точке путем устройства перемычек на анкерной опоре.

Изолированное крепление тросов следует выполнять стеклян­ными изоляторами. ВЛ напряжением 110 кВ, установленные на де­ревянных опорах, как правило, не должны защищаться тросами. Высокая грозоупорность и эксплуатационная надежность таких линий объясняется снижением вероятности образования дуги пос­ле импульсного перекрытия, а также уменьшением числа прямых ударов молнии вследствие небольшой средней высоты линии.

Сооружение линий без тросов допускается:

• на отдельных участках в особо гололедных районах с расчет­ной толщиной стенки гололеда более 20 мм;

• в районах со слабой грозовой деятельностью при среднегодо­вой продолжительности гроз менее 20 ч;

• на отдельных участках со скальными плохо проводящими грун­тами, где выполнение заземлений связано с выемкой скальных по­род.

Сопротивление заземления опор выбирается в зависимости от удельного сопротивления грунта (табл. 2.1). Для линий на метал­лических и железобетонных опорах, проходящих в местах с удель­ным сопротивлением грунта р = 300 Ом • м, допустимые сопротив­ления заземлителей могут быть обеспечены за счет использования железобетонных подножников опор, которые являются естествен­ными заземлителями.

Зона защиты молниеотводов

Защитное действие молниеотводов определяется защитной зо­ной — пространством, которое защищено от ударов молнии. По­падания молний в объект, расположенный в этом пространстве, маловероятны. Однако разрядные напряжения длинных воздушных промежутков имеют значительный статистический разброс, и по­этому молниеотводы обеспечивают защиту объекта лишь с неко­торой, но достаточно высокой степенью надежности.

Определение защитных зон молниеотводов основывается на лабораторных исследованиях и статистических данных грозовой защиты электроустановок, т.е. опытным путем на моделях. Ис­следования показывают, что защитное действие молниеотводов начинается еще в стадии лидерного разряда молнии. С некоторо­го момента канал такого разряда начинает ориентироваться на молниеотвод. Это вызвано тем, что к этому времени напряжен­ность электрического поля возле молниеотвода сильно возраста­ет и начинает сказываться взаимодействие зарядов лидера и за­рядов, наведенных вследствие электростатической индукции на молниеотводе. Опыты проводятся по схеме, представленной на рис. 2.3, а. На электрод, имитирующий конец лидерного канала на высоте ориентировки, подается стандартный

а — схема опытов по определению зон защиты: 1 — электрод, имитирующий конец лидерного канала на высоте ориентировки; 2 — модель молниеотвода; 3 — заземленная металическая плоскость; 4 — генератор импульсных напряжений; б — зона защиты одиночного стержневого молниеотвода; в — зона защиты двух стержневых молниеотводов; г — зона защиты трех стержневых молниеотводов; д — зона защиты четырех стержневых молниеотводов

импульс положи­тельной полярности (длительность импульса, принятая для испы­таний изоляции 50 мкс, а фронта волны — t_ф = 1,2 мкс) с макси­мальным значением, близким к 50 % от разрядного напряжения (ми­нимальному напряжению, при котором происходит разряд между концом лидерного канала и поверхностью). Полярность импульса выбирается положительной для того, чтобы разряд происходил именно с этого электрода, а не с электрода, имитирующего молни­еотвод. Расстояние между головкой лидера и уровнем земли, при котором начинает сказываться поле заземленных объектов, при­нято называть высотой ориентировки, ее обозначают Н, а высоту молниеотвода — h. В экспериментах, проводившихся А.А. Акопяном, для стержневых молниеотводов принималось H/h = 20 при h = 30 м и Н = 600 м при h > 30 м. Соответствующие цифры для тросовых молниеотводов — Н =10 h, но не более 300 м. Получен­ные в лаборатории зоны защиты имеют условный характер. Опы­ты и данные показали, что зоны защиты зависят от количества высоты и взаимного расположения молниеотводов, высоты ори­ентировки.

Высота ориентировки Н меняется в широких пределах в зависи­мости от атмосферных и геологических условий. Для высоких мол­ниеотводов можно считать, что она приближается к высоте грозо­вого облака; с уменьшением высоты молниеотводов снижается Н.

На основании исследовательских работ, а также статистических данных эксплуатации распределительных устройств были рекомен­дованы расчетные зоны для различных типов молниеотводов.

Зоны защиты стержневых молниеотводов

Зона защиты стержневого одиночного молниеотвода представ­ляет собой пространство вблизи молниеотвода, ограниченное по­верхностью вращения в виде конуса. Такая зона показана на рис. 2.3, б. На данном и последующих рисунках высота защищаемого объекта обозначена h_x, а разность (h - h_x), т.е. превышение молние­отвода над защищаемым объектом, через h_a. Эту разность называ­ют активной высотой молниеотвода. Пространство, защищаемое стержневым молниеотводом, пред­ставляет собой конус с сечением в горизонтальных плоскостях в виде круга, радиус гх которого на высоте h_x определяется по фор­муле

(2.1)

где коэффициент р = 1 для молниеотводов при h ≤ 30 м и

Из формулы 2.1 находим, что радиус защитной зоны на поверхно­сти земли при h = 30 м будет r_x = 1,6h_a.

Зона защиты двух стержневых молниеотводов имеет значитель­но большие размеры, чем сумма зон двух одиночных молниеотво­дов. Очертания такой защитной зоны приведены на рис. 2.3, в. За­щитный радиус гх находят по формуле (2.1), а ширину защитной зоны в соответствии с кривыми (рис. 2.4). По заданным величинам S1, ha, h_x находят b_x/h_a, а затем b_x. Значения р выбирают такими же, как и для одиночного стержневого молниеотвода.

Ширина защитной зоны b_x = 0 на высоте па при S = 7h_ap. Низ­шая точка защитной зоны расположена на высоте

Внутренняя часть зоны защиты двух стержневых молниеотво­дов (см. рис. 2.3, в) в плоскости, проходящей через оба молниеот­вода, ограничивается дугой окружности, которую можно постро­ить по трем точкам: две из них — вершины молниеотводов, а тре­тья расположена посередине на высоте h₀. Внешняя часть зоны защиты строится так же, как для одиночных 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.

Площади, защищаемые 3 и 4 стержневыми молниеотводами, имеют очертания, приведенные на рис. 2.3, г, д. Величины b_x опре-

деляются по кривым, приведенным на рис. 2.4, для каждой пары молниеотводов, радиус г_х — по формуле (2.1), величина D — по [формуле

где D — наибольшая диагональ четырехугольника 1-2-3-4 или диаметр окружности, проведенной через точки 1, 2, 3.

При произвольном расположении молниеотводов условие (2.3) должно быть проверено для каждой тройки ближайших друг к другу молниеотводов в отдельности. При всех условиях высота h_x долж­на быть меньше фиктивной высоты h₀, определенной для каждой отдельно взятой пары молниеотводов.

Зоны защиты тросовых молниеотводов

Подвеска и расположение тросов осуществляются так, чтобы рабочие провода полностью входили в защитную зону тросовых молниеотводов. Исследования на моделях и опыт эксплуатации показали, что тросовые молниеотводы защищают крайние провода линии, если соблюдается угол защиты а (угол между вертикаль­ной линией, проходящей через трос, и линией, соединяющей трос с проводом) будет не больше 30° (рис. 2.5, в). Вертикальное сечение зоны защиты тросового молниеотвода строится так же, как и для одиночного стержневого молниеотвода, но с другими числовыми коэффициентами. Упрощенное построение зоны защиты одиноч­ного троса приведено на рис. 2.5, а.

Защитная зона между двумя тросовыми молниеотводами воз­растает вследствие экранирования тросов (рис. 2.5,6). Этот эффект используют для приближения тросов к крайним проводам линии в горизонтальном направлении, что увеличивает надежность. Вне­шняя часть зоны защиты двух тросовых молниеотводов, располо­женных на расстоянии а, определяется так же, как и для одиночно­го троса. Внутренняя часть ограничена поверхностью, которая в сечении плоскостью, перпендикулярной тросам, представляет со­бой дугу окружности, проходящую через два троса и точку посередине между ними на высоте

а — упрощенное построение зоны защиты; 6 — зона защиты двух параллельных тросов; в — угол защиты а и зона защиты тросов на линии электропередачи

Условие защиты среднего повода при горизонтальном распо­ложении поводов и двух тросах

(2.4)

практически всегда осуществляется со значительным запасом.

Наличие защитных тросов не гарантирует 100 % надежности за­щиты; всегда существует некоторая вероятность поражения про­вода — «прорыва молнии мимо тросовой защиты». В отличие от подстанций, территории которых поражаются молнией один раз в несколько лет, линии подвергаются прямым ударам десятки раз за грозовой сезон (например, линия напряжением 500 кВ Волжская ГЭС — Москва поражалась около 500 раз), поэтому даже очень малая вероятность прорыва имеет существенное значение. Эта ве­роятность подсчитывается по эмпирической формуле

(2.5)

где h_oп- высоты опоры.

Для снижения вероятности прорыва молнии уменьшают защит­ные углы на высоких опорах путем раздвигания тросостоек к кон­цам траверсы; условия защиты среднего провода обычно сохраня­ются.