Расчет молниезащиты

Виды воздействий молний

Воздействия молний делятся на:

• Первичные, причиной которых является прямой удар молнии.
• Вторичные, которые индуцируются ее разрядами, или занесены в объект металлическими коммуникациями, значительной длины.

К первичным воздействиям молний относятся термические, электрические, механические. Электрические воздействия связаны с поражением животных и людей электрическим током и возникновением перенапряжений в несколько мегавольт на пораженных объектах. Термические воздействия связаны с выделением тепла в случае прямого контакта канала молнии с содержимым объекта поражения и протекании через него молнии. Почти в 100 % случаев тепловая энергия от разряда молнии примерно на три порядка выше, чем энергия, выделяемая при горении большинства паро-, газо- и пылевоздушных смесей, которые используются в промышленности. Прямой контакт с каналом молнии может стать причиной проплавления корпусов взрывоопасных установок. Механические воздействия обусловлены ударной волной, которая распространяется от канала молнии, а также электродинамическими силами, действующими на проводники с токами молнии. Такие воздействия могут стать причинами сплющивания металлических трубок и полного разрушения объекта.

Вторичные воздействия обусловлены действием на объект электромагнитного поля. Данное поле, как правило, рассматривается в виде двух составляющих: электростатическая индукция (перемещение заряда в лидере и канале молнии) и электромагнитная индукция (изменение тока молнии во времени). Электростатическая индукция проявляется в виде перенапряжения, которое возникает в металлических конструкция пораженного молнией объекта и зависящая от ее тока и сопротивления заземлителя. Электромагнитная индукция связана с наведением в металлических контурах электродвижущей силы в десятки киловольт. Еще одно опасное воздействие молнии связано с заносом потенциала по вводимым в объект коммуникациям (кабели, трубопроводы и т.п.).

Расчет молниезащиты

По типу молниезащита делится на:

1. Многократную тросовую.
2. Одностержневую.
3. Одиночную тросовую.
4. Двухстержневую разной или одинаковой высоты.
5. Многократную тросовую.

По степени надежности молниезащиты различают два типа зон - А (надежность защиты не менее 99,5%) и Б (степень защиты от 95 до 99,5 %).

Допустим, что необходимо определить параметры зоны молниезащиты, со степенью надежности 95 % для главной понизительной подстанции (схема которой изображена на рисунке ниже), а также ее возможную поражаемость.

Рисунок 1. Схема главной понизительной подстанции. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Данная подстанция защищается четырьмя молниеотводами. Расчет начинается с выбора высоты молниеотвода. Для этого, сначала рассчитывается предельное расстояние между молниеотводами по следующей формуле:

!Формула. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

где: l1 - расстояние между ближними молниеотводами; l2 - расстояние между удаленными молниеотводами.

Для молниеотводов, высота которых не превышает 30 метров условие защиты всей площади выглядит следующим образом:

$L ⩽ 8*(h-hx) ⩽ 8*ha$

где: ha - превышение высоты молниеотвода молниеотвода над защищаемым объектом; hx - высота защищаемого объекта; h - высота молниеотвода.

Таким образом высота превышения молниеотвода может быть рассчитана следующим образом:

$ha ⩾ L/8$

А высота самого молниеотвода может быть рассчитана по формуле:

$h = ha + hx$

Следующим этапом расчета является определение границ молниезащиты. Для многократных стержневых мониеотводов зона защиты строится при помощи попарно взятых соседних стержневых молниеотводов. Для этого сначала рассчитывается высота вершины конуса стержневого молниеотвода:

$h0 = 0.92*h$

Радиус защиты на уровне земли рассчитывается по формуле:

$r0 = 1,5*h$

А радиус защиты на высоте защищаемого объекта:

$rx = 1.5*(h-1.1*hx) = 1.5*(h- (hx/0.92))$

Теперь можно рассчитать высоту средней части попарно взятых молниеотводов:

$hmin1 = hc1 = h0-0.14*(l1-h)$

$hmin2 = hc2 = h0-0.14*(l2-h)$

Ширина средней части попарно взятых молниеотводов на уровне земли рассчитывается по формуле:

$rc = r0 = 1.5*h$

А формулы для расчета ширины средней части на уровне защищаемого объекта выглядят следующим образом:

$rcx1 = r0*((hc1-hx)/hc1)$

$rcx2 = r0*((hc2-hx)/hc2)$

Параметры, полученные в результате расчета, должны быть нанесены на план главной понизительной подстанции, с целью определения попадания объекта в зону молниезащиты.

Завершающим этапом является определение надежности защиты от прямого удара молнии. Количество ударов молнии за один год определяется по соотношению:

Рисунок 2. Формула. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

где: n - число грозовых дней в году; b - ширина самого высокого объекта; а - длина самого высокого объекта.

Количество отключений подстанций за год рассчитывается по формуле:

$y = N*w1*w2*w3$

где: w1 - вероятность прорыва молнии сквозь защиту; w2 - вероятность перекрытия изоляции в случае прямого удара молнии; w3 - вероятность перехода импульсного перекрытия в силовую дугу.

Показатель грузоупорности рассчитается следующим образом:

$m = 1/у.$