Молниеотводы и заземлители защитное действие молниеотводов и моделирование

История молниеотвода начинается с 1749 г., когда Франклин пред­ложил защищать строения металлическими стержнями — «громоотво­дами», как их неправильно называли в прошлом. Франклин предпола­гал, что эти шесты отводят электричество из воздуха, чем и предотвра­щается поражение строения молни­ей. Защитная роль молниеотводов была впервые правильно оценена М. В. Ломоносовым, который ука­зал, что молниеотвод предотвраща­ет поражение защищаемых объек­тов, принимая на себя разряд мол­нии. Такое понятие вполне соответ­ствует современной точке зрения. В наше время с установлением фи­зических особенностей развития гро­зового разряда оказалось возмож­ным найти инженерные основы за­щиты молниеотводами.

З ащитное действие молниеотво­дов проявляется в лидерной стадии грозового разряда. Траектория ли­дера молнии, как и вообще длинной искры в воздухе, подчиняется стати­стическим закономерностям. Из всех вероятных направлений разряда преимущественное направление определяется максимальными напряженностями электрического поля. На больших высотах это направление устанавливается исключительно са­мим каналом лидера (рис. 20-1,а). Поэтому на большей части пути ли­дера земные объекты практически не влияют на направление разви­тия разряда. Однако на некоторой высоте H, называемой высотой ориентировки молнии, начинает сказываться искажение поля земными сооружения. Направление максимальных напряженностей поля, а следо­вательно, и развитие заряда устанавливаются по отношению к наиболее возвышающимся объектам — молниеотводам (рис. 20-1,6). Вероятно< разряда в сооружение вблизи молниеотвода резко снижается. Г некоторой высоте превышения молниеотвода над защищаемыми сооружениями практически ни один разряд не будет поражать эти сооружения. Пространство, защищенное от прямых ударов молнии, называется защитной зоной молниеотвода. Любое сооружение, целиком входящие в защитную зону молниеотвода, защищено от прямых ударов молнии. Зоны защиты молниеотводов определяются на моделях, в которых канал молнии имитируется стержнем, расположенным на вью ориентировки молнии Н. На стержень подается волна ГИН. Стержень располагается в местах, откуда вероятность поражения молю объекта наибольшая.

Зона защиты стержневых молниеотводов

Зона защиты одиночного стержневого молниеотвода показана рис. 20-2. Обозначим высоту защищаемого объекта через hх и высоту молниеотвода через h. Разность hа=h—hх т. е. высота превышения молниеотвода над защищаемым объектом называется активной высотой молниеотвода.

Зона защиты одиночного молниеотвода образует-«шатер», радиус которого r_х на уровне h_х определяется соотношением:

Опыты на моделях показали, что стрежневой молниеотвод обладает некоторой «зоной 100%-ного поражения» (рис. 20-3), в которой лидер молнии всегда развивается по направлению к молниеотводу. На высоте ориентировки молнии радиус r_х этой зоны равен примерно 3,5h_а, где h_а — активная высота молниеотвода. Если на расстоянии S=7/h_а помещен второй молниеотвод, то зоны 100%-ного поражения обоих молниеотводов пересекутся на высоте h. Защитная зона двух стержне молниеотводов при этом значительно расширяется.

Расстояние S=7/h_а является предельным расстоянием между мол­ниеотводами, при котором зоны 100%-ного поражения еще пересекают­ся на высоте h. Для исключения вероятности разрядов из точек, лежа­щих на оси у — у, на некотором расстоянии от оси х — х необходимо сближение молниеотводов.

На этой основе определяется защитная зона двух стержневых мол­ниеотводов, очертания которой показаны на рис. 20-4,а. Радиус защиты r_х определяется по формуле (20-1). Ширина зоны защиты на уровне защищаемого объекта 2b_Х определяется по кривым, приведенным на рис. 20-4,б, в зависимости от заданных s/ha и высоты защищаемого объекта h_х. По кривым определяется

о тношение откуда находится b_х

Коэффициент р по-прежнему равен 1 для молниеотводов молниеотводов с

для молниеотводов с h >30 м.

Ширина защитной зоны b_х = 0 при s=7hap. Низшая точка 0 защит­ной зоны между молниеотводами расположена на уровне и лежит на окружности радиусом R, проходящей через вершины молние­отводов и точку 0.

Защитные зоны четырех и трех стержневых молниеотводов приве­дены на рис. 20-5. Вне контуров 1—2—3—4 (рис. 20-5,а) или 1—2—3 (рис. 20-5,6) защитные зоны определяются для каждой пары молние­отводов по расчетным соотношениям двойных стержневых молниеотводов.

У словие защищенности всей площади 1—2—3—4 или 1—2—3 вы­ражается соотношением

г де D — наибольшая диагональ четырехугольника /—2—3—4 или диаметр окружности, построенный по трем точкам 1—2—3. Низшая точка 0 внутри защитной зоны расположена на высоте

Пример 20-1. На рис. 20-6 показана компоновка открытого распределительного устройства 110кв, которое требуется защитить от прямых ударов молнии. Молниеот­воды устанавливаются на конструкциях подстанции.

Места установки молниеотводов выбираем так, как это показано на рис. 20-6. Основанием к этому служит прикидочный расчет размещения минимального числа молниеотводов с активной высотой 5—10 м. Разбивая площадь подстанции на секторы 1—5, определяем по формуле (20-2) условия защиты каждого сектора.

Минимальная активная высота молниеотводов для защиты прямоугольного сек­тора 2, равна h_а=55/8=6,9 м для защиты прямоугольного сектора 1, h_а=50/8=6,25 для защиты треугольного сектора 4, h_а=55/8=6,9 м. Принимаем для всех молниеот­водов активную высоту h_а=7 м.

Как видно из рис. 20-6, порталы А и Б, имеющие высоту 8,2 м, находятся за пределами треугольных секторов /// и IV. Проверяем защищенность этих порталов, производя построение защитных зон для двойных стержневых молниеотводов 4—8 и 6—7. Полная высота молниеотводов равна 11+7=18 м (молниеотводы установлены на портальных конструкциях высотой 11 м). Высота превышения молниеотводов над порталом равна h_а = 18—8,2=9,8 м.

По формуле (20-1) определяем радиус защитной волны (при р=1)

Н аходим b_Х, экстраполируя по кривым, приведенным на рис. 20-4, б для

И находим b_х/ha =0.58, и, следовательно b_х = 0,58*9,8 = 5,7 м.

Построение, выполненное на рис. 20-6, показывает, что порталы А и Б входят в защитную зону молниеотводов.