Захисні зони громовідвода — Захист електростанцій і підстанцій від прямих ударів блискавки

Стрижневі громовідводи.

Громовідводи як засіб захисту наземних споруд від прямих ударів блискавки отримали визнання тільки в середині XVIII ст. в результаті робіт Ломоносова і Франкліна. В даний час доведено, що громовідводи сприймають удари блискавки в певній зоні на себе і відводять струм блискавки в землю.

Так як імпульсний іскровий розряд в довгих повітряних проміжках володіє якісним схожістю з процесом грозового розряду, то в лабораторних умовах були проведені досліди на моделях для визначення того простору навколо блискавковідводу, яка не уражається.

Досліди проводилися за схемою рис. 21. На електрод А, що імітує кінець лідерного каналу блискавки на висоті орієнтування Н, розміщений над моделлю блискавковідводу h при / / / / i = 20, подавався стандартний імпульс напруги позитивної полярності і вироблялося кілька розрядів. Потім електрод, А переміщався в горизонтальному напрямку від вертикалі НД, що проходить через блискавковідвід h, і знову подавалися імпульси напруги.

Досліди показали, що всі розряди з електрода А, що знаходиться на відстані 7? = 3,5 / г від вертикалі НД, вражали блискавковідвід / м. При збільшенні відстані R електрода, А от-вертикалі НД, до R частина розрядів з електрода, А потрапляє в блискавковідвід / г, частина — в землю.

З цих дослідів випливає два висновки: по-перше, над блискавковідводом висотою h існує зона (рис. 22) у вигляді перевернутого конуса з радіусом /? = 3,5 / г в основі, з якою всі розряди збирає на себе блискавковідвід.

Рис. 21 Визначення на моделі зони захисту стрижневого блискавковідводу

Рис. 22 Зона 100%-ного ураження стрижневого блискавковідводу

Рис. 23 Зона захисту одиночного стрижневого блискавковідводу висотою до 60 м: А — висота блискавковідводу; hx — висота точки на кордоні зони, що захищається: h &-h-hx — активна висота блискавковідводу

Ця зона одержала назву зони 100%-ного ураження стрижневого блискавковідводу. По-друге, навколо блискавковідводу висотою h є зона, не вражаються розрядами. Ця зона захищається блискавковідводом h. Мінімальна відстань від вертикалі НД, рівне г0 = 3,5 / г, і є радіусом зони захисту блискавковідводу на рівні землі.

Радіус зони захисту на будь-якій висоті блискавковідводом h визначається також дослідами в лабораторії за допомогою стрижня висотою hx (див. рис. 21), що імітує об'єкт, що захищається і знаходиться в одній площині з електродом, А і блискавковідводом h. Вони переміщуються відносно один одного. При різних їх розташуваннях виробляється певна кількість розрядів.

Потім знаходиться максимальна відстань гх між стрижнем висотою hx і блискавковідводом висотою h, при якому стрижень не уражується розрядом. Це відстань гх є радіусом зони захисту блискавковідводу на висоті hx.

Визначена таким чином зона захисту блискавковідводу висотою h являє собою «шатро» (рис. 23), радіус гх, м, якого «Керівні вказівки з розрахунку зон захисту стрижневих і тросових блискавковідводів» [1] для блискавковідводів висотою до 60 м рекомендують розраховувати за формулою:

де, А — висота стрижневого блискавковідводу, м; hx-висота точки на кордоні зони, що захищається, м; fta = (ft-hx)-активна висота блискавковідводу, м; р — коефіцієнт для різних висот блискавковідводів.

Для блискавковідводів висотою до 30 м коефіцієнт р дорівнює одиниці, а у блискавковідводів висотою більше 30 м ефективність захисту знижується. Для визначення радіуса зони захисту блискавковідводів висотою більше 30 м коефіцієнт p = 5,5 / l / 'j. Так будуються зони захисту для одиночних стрижневих блискавковідводів висотою до 60 м.

Простір поблизу блискавковідводу, захищене від прямих ударів блискавки, називається захисною зоною громовідводу. Будь-яке спорудження, що знаходиться в цій зоні, захищається від прямих ударів блискавки.

Встановлено, що у блискавковідводів висотою більше 60 м уражається блискавкою не тільки його вершина, а й бічні частини на деякій відстані від вершини вниз. Тому захисна зона блискавковідводів висотою від 60 до 250 м обмежується висотою ft-Aft (рис. 24). Вона усічена на відстані Aft від вершини.

Для блискавковідводів висотою від 60 до 100 м відстань Aft, м, підраховується за формулою.

Aft = 0,5 (ft — 60). (3).

Для блискавковідводів висотою від 100 до 250 м.

Aft = 0,2 ft. (4).

За умови, якщо активна висота ha блискавковідводу дорівнює або більше Ah, захисна зона одиночного блискавковідводу розраховується за формулою (2).

Якщо активна висота / га менше відстані Ah, блискавковідвід захисної зони не має.

З літератури відомий спрощений метод побудови обрисів захисної зони одиночного стрижневого блискавковідводу (рис. 25, а), в якому криволінійна межа зони замінюється прямими відрізками. Для побудови зони спрощеним методом з вершини блискавковідводу, а проводиться пряма через точку, а ', розташовану на рівні землі на відстані 0,75 / г від основи громовідводу. Інша пряма проводиться з точки С, віддаленої від основи блискавковідводу на рівні землі на відстань l, 5 / i, через точку Ь, що знаходиться на прямій аа ', на відстані 2/3-Л від землі, в точку з'. Ламана лінія abc і є кордоном захисної зони одиночного стрижневого блискавковідводу.

Рис. 24 Зона захисту одиночного стрижневого блискавковідводу висотою більше 60 м

Рис. 25 Зона захисту одиночного стрижневого блискавковідводу та її спрощене побудова ©, встановленого на місцевості з ухилом (б): 1 — зона захисту блискавковідводу; 2 — спрощене побудова зони захисту

Якщо захисту підлягає обладнання, розташоване на місцевості з ухилом, то захисну зону блискавковідводу слід будувати так само, але за блискавковідвід потрібно приймати фіктивний блискавковідвід — перпендикуляр И ', опущений з вершини блискавковідводу до поверхні землі (рис. 25,6).

Зона захисту блискавковідводу вниз по схилу виявляється зменшеною, а вгору по схилу — збільшеною.

Захисна зона двох стрижневих блискавковідводів значно збільшується в порівнянні з сумою захисних зон двох одиночних блискавковідводів. Це можна пояснити, використовуючи властивості зон 100%-ного ураження кожного одиночного громовідводу. Якщо два одиночних стрижневих блискавковідводу розташувати так, щоб кордони їх зон 100%-ного ураження на висоті орієнтування Я лідера блискавки стикалися (рис. 26), то точки земної поверхні, що лежать на прямій, що з'єднує два громовідводи і рівної 7hа, будуть захищені від ураження блискавкою. Таким чином, захисна зона двох стрижневих блискавковідводів значно розширюється.

Обриси зони захисту двох стрижневих блискавковідводів («подвійного блискавковідводу») в горизонтальному перетині на рівні hx і у вертикальному перерізі по осях блискавковідводів для блискавковідводів висотою не більше 60 м показані на рис. 27, а, а заввишки більше 60 м — на рис. 27,6.

Рис. 26 Зона 100%-ного ураження двох стрижневих блискавковідводів: h — висота блискавковідводу; hx — висота захищається

— Активна висота блискавковідводу; а — відстань між блискавковідводами.

Рис. 27 Зона захисту двох равновисокіх стрижневих блискавковідводів висотою до 60 м (а), більше 60 м (б): а — відстань між блискавковідводами;'х — найменша ширина зони зашиті на рівні А-: г «- радіус

кола, що проходить через вершини блискавковідводів в точку 0, що знаходиться на рівні ft0.

Кордон зовнішньої зони з радіусом гх для вертикального перерізу кожного блискавковідводу визначається так само, як і для одиночного стрижневого блискавковідводу, за формулою (2).

Межа зони захисту між блискавковідводами у вертикальному перерізі, що проходить через обидва блискавковідводи, визначається окружністю з радіусом R, що проходить через вершини блискавковідводів і точку 0, розташовану посередині між блискавковідводами на висоті, м,.

від землі для блискавковідводів висотою не більше 30 м і на висоті, м, K = h-а 1р для блискавковідводів висотою від 30.

до 250 м, де р = 5,5 / vh.

Для блискавковідводів висотою більше 60 м вершина зони буде скорочуватися так само, як у зон для одиночних стрижневих блискавковідводів, на ДЛ, підраховують за формулами (3) і (4).

Найменша ширина зони захисту bх в середині між блискавковідводами при горизонтальному перетині на висоті hx визначається по кривих (рис. 28).

(5).

Рис 28 Значення найменшою ширини зони захисту двох стрижневих блискавковідводів з висотою Л менше 30 м

а — для o / hQ = -0,7; б — для o / hQ -5 * 7.

Для блискавковідводів висотою до 30 м відношення відстані між блискавковідводами, а до активної висоті блискавковідводів ha знаходиться в межах від 0 до 7, найменша ширина захисної зони’х визначається по кривих (мал. 28, а).

Найменшу ширину захисної зони Ьх знаходимо так: підраховуємо ставлення a / hx, припустимо, що воно виявилося рівним 3, потім знаходимо відношення hx / h, яке дорівнює 0,3.

Крива 0,3 / г на рис. 28, а перетинається з ординатою, відновленої з точки 3 абсциси, на рівні Ьх/2На = 0,9.

На рис. 28, б представлені ті ж криві, що й на рис. 28, а, але в межах, а / / га -5 — = -7. Два блискавковідводу взаємодіють між собою тільки в тому випадку, коли відстань між ними, а не перевищує 7/га, тобто якщо зони 100%-ного ураження обох блискавковідводів стикаються між собою або накладаються одна на іншу. При відстані а більш 7ha між зонами 100%-ного ураження обох блискавковідводів утворюється незахищений простір, в якому розташовані об'єкти можуть дивуватися грозовими розрядами.

Захисні зони блискавковідводів, розташованих один від одного на відстані а більш 7/ia, будуються окремо для кожного одиночного громовідводу.

Рис. 29 Зона захисту двох блискавковідводів різної висоти на рівні ft: с — у вертикальному перерізі; б — в горизонтальному перерізі; 1,2 — громовідводи, 3 — вершина фіктивного блискавковідводу

Зона захисту для двох стрижневих блискавковідводів різної висоти будується починаючи з блискавковідводу більшої висоти наступним чином. Навколо блискавковідводу / з більшою висотою будується зона захисту, як і для одиночного блискавковідводу, за формулою (2). Потім через вершину блискавковідводу 2 з меншою висотою проводиться горизонтальна лінія до перетину в точці 3 з кордоном захисної зони блискавковідводу /, як показано на рис. 29, я, з якого видно подальшу побудову зони захисту. Крива лінія 2−3-1 є кордоном захисної зони блискавковідводів 1, 2 у вертикальному перерізі. Для стрижневих блискавковідводів висотою більше 60 м зони захисту у їх вершин усікаються на відстані Ah від вершини у відповідності з їх висотою.

Прийнявши точку 3 за вершину деякого фіктивного блискавковідводу з висотою, рівній висоті блискавковідводу 2, будують зону захисту в горизонтальному перетині на рівні hx блискавковідводів 2 і 3 рівної висоти h, після чого на тому ж рівні hx захисну зону блискавковідводу / в горизонтальному перетині сполучають плавною кривою із захисними зонами блискавковідводів 2 і 3 (рис. 29,6).

Зона захисту трьох і більше блискавковідводів (багаторазовий блискавковідвід) значно перевищує суму зон захисту одиночних блискавковідводів. Зона захисту трьох стрижневих блискавковідводів однакової висоти в горизонтальному перетині на рівні hx показана на рис. 30. Радіус зони захисту гх для кожного блискавковідводу визначається так само, як і для одиночного блискавковідводу, за формулою (2). Розміри Ьх / 2 знаходять по кривих (див. рис. 28, а, б).

Рис. 30 Зона захисту трьох стрижневих блискавковідводів однакової висоти в горизонтальному перетині на рівні hx: I, 2, 3 — громовідводи

Для перевірки захищеності устаткування, що у середині зони захисту, через точки /, 2 і 3 розташування блискавковідводів проводять коло. Якщо діаметр цього кола D дорівнює або менше восьмикратною величини активної висоти блискавковідводу (D^.8 ha), то при висоті блискавковідводів не більше 30 м об'єкти, що знаходяться в зоні захисту, надійно захищені від ураження блискавкою. При блискавковідводах висотою від 30 до 250 м необхідною умовою захищеності всій площі на рівні hx є умова.

D <8hар. (6).

Крім того, для трьох і більше блискавковідводів висотою більше 60 м частина зони захисту, розташована поза трикутника, утвореного вершинами трьох сусідніх блискавковідводів (мал. 30), буде скорочуватися у вертикальному розрізі на відстані Ah від вершини блискавковідводу, тоді як частина зони, розташована всередині трикутника, утвореного вершинами блискавковідводів, що не буде скорочуватися.

Значення, А / г, як і для одиночних блискавковідводів, визначається з співвідношень (3) і (4).

На рис. 31 представлена?? зона захисту в горизонтальному перетині на рівні hx чотирьох стрижневих блискавковідводів однакової висоти, розташованих по правильному чотирикутнику.

Для чотирьох блискавковідводів захисна зона будується так само, як і для трьох блискавковідводів. Однак для перевірки захищеності всій площі на рівні hx потрібно брати найбільший діаметр D.

При довільному розташуванні блискавковідводів захисні зони будуються окремо для кожного з трьох найближчих один до одного блискавковідводів. Для чотирьох довільно розташованих блискавковідводів горизонтальне перетин захисної зони на рівні пх показано на рис. 32.

Рис. 31 Зона захисту чотирьох стрижневих блискавковідводів однакової висоти в горизонтальному перетині на рівні hx: 1, 2, 3, 4 — громовідводи

Тросові громовідводи

Форма зони захисту одиночного тросового блискавковідводу висотою до 30 м показана на рис. 33, а. Форма зони захисту одиночного тросового блискавковідводу висотою більше 30 м представлена?? на рис. 33,6. Побудова зони захисту одиночного тросового блискавковідводу здійснюється за формулою громовідвід заземлення занушення захисний.

(7).

Зона захисту одиночного тросового блискавковідводу висотою від 30 до 250 м усікаються у вершини на, А / м. При висоті від 30 до 100 м Д / г = 0,29 (/ г-30) k2. При висоті від 100 до 250 м Ah = 0,2 hk2.

Рис. 33 Зона захисту одиночного тросового блискавковідводу: а — заввишки до 30 м; б — більше 30 м; А — горизонтальний переріз зони захисту на рівні h; Т — трос

Рис. 34 Зона захисту двох тросових блискавковідводів (/, 2) висотою до 30 м (а), більше 30 м (б): 1 — горизонтальний переріз на рівні hx; / 1 — вертикальний перетин зони захисту

Значення коефіцієнтів k {і kz беруться залежно від допустимої ймовірності прориву блискавки в зону захисту. Імовірність прориву блискавки в зону захисту дорівнює відношенню числа розрядів блискавки в захищається споруда до загального числа розрядів блискавки в блискавковідвід і захищається споруда. Якщо допускається ймовірність прориву блискавки в зону захисту 0,01, то коефіцієнт & i = l, 2; / г2 = 1, а при допустимої ймовірності 0,001 — ^ = 0,6; / г2 = 1,3, тобто захисні зони тросових блискавковідводів дещо менше захисних зон стрижневих блискавковідводів.

Форма зони захисту двох паралельних тросових блискавковідводів висотою до 30 м показана на рис. 34, а. Зовнішні межі зони захисту кожного троса визначаються так само, як і для одиночного тросового блискавковідводу, за формулою (7).

Межею зони захисту між двома тросами є дуга кола, яка проходить через троси 1, 2 і середню точку між тросами 0, що знаходиться на висоті h0 над землею. Висота ho, м, підраховується за формулою.

(8).

де, а — відстань між тросами, м.

Зона захисту двох тросових блискавковідводів висотою більше 30 м представлена?? на рис. 34,6. Метод побудови зони захисту для цього випадку такий же, як і для тросових блискавковідводів висотою до 30 м, але на відстані Ah від вершини зона буде скорочуватися так само, як у одиничних тросових блискавковідводів.

Коефіцієнт р у формулі (8) при розрахунку зони захисту блискавковідводів висотою до 30 м береться рівним одиниці. Для блискавковідводів висотою від 30 до 250 м коефіцієнт р = 5,5.

Коефіцієнт ks вибирається залежно від допустимої ймовірності прориву блискавки в зону захисту. Для зони з імовірністю прориву не більше 0,01 ks = b. Для зони з імовірністю прориву не більше 0,001 / г3 = 3.

При розгляді умов захисту зовнішніх проводів (або будь-якого проводу при одному тросі) зазвичай користуються поняття не зони захисту, а кута захисту а, утвореного прямовисною лінією від троса до землі АБ і лінією, що з'єднує трос з проводом АВ (рис. 35). Чим менше кут захисту а, тим надійніше захищається провід від ураження блискавкою. Зі збільшенням кута захисту, а і підвищенням висоти опор Л імовірність прориву блискавки зростає.

Зв’язок захисного кута, а з радіусом захисту гх і активної висотою / га встановлюється співвідношенням tg a = rxjhx.

Рис. 35 Захисний кут, а і захисна зона тросових блискавковідводів висотою до 30 м

Оцінка умов захисту дроти, розташованого між двома тросовими громовідводи, проводиться за співвідношенням Якщо ha одно або більше a/k3p, то провід, що знаходиться в зоні захисту двох тросів, надійно захищений.

Кількість проривів блискавки р на рік на захищається споруда в зоні захисту визначається за формулою.

де бета — ймовірність проривів блискавки в зону захисту (0,01 або 0,001); N — сумарна кількість ударів блискавки в блискавковідвід і захищається споруда на рік.

Сумарне число ударів на рік, наприклад, в стрижневий блискавковідвід висотою h, м, можна підрахувати за формулою:

де п = 0,06 — середня кількість ударів блискавки в ділянка земної поверхні площею 1 км² за одну годину грози в місці розташування захищається споруди, ударів / (км2-год); Т — середня інтенсивність грозової діяльності для даної місцевості (число грозових годин на році), год / рік; R — 3,5 h-еквівалентний радіус кола, що описує площа, з якої блискавковідвід «збирає» блискавки, м (див. рис. 22).

Сумарне число ударів блискавки в рік до групи стрижневих блискавковідводів підраховується за формулою.

де S — площа, обмежена дугами кіл, описаних радіусом R навколо кожного стрижневого блискавковідводу, м2.

Сумарне число ударів блискавки в рік у тросовий блискавковідвід висотою h, м, і довжиною м, знаходять за формулою.

де R = 3,5 h, м.

Надійність захисту від прямих ударів блискавки може бути оцінена кількістю років її роботи без поразки захищається прямими ударами блискавки.