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.