Зоны защиты стержневых молниеотводов

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального
образования
Томский политехнический университет
«УТВЕРЖДАЮ»
Зав. кафедрой ЭСС
доцент, канд. техн. наук
________Ю.С. Боровиков
«___»_________ 2010.
Зоны защиты стержневых молниеотводов
Методические указания по выполнению лабораторной
работы по курсу «Молниезащита» для студентов направления 140400
« Электроэнергетика и электротехника»
Томск 2010
УДК 621.311.015.38
Зоны защиты стержневых молниеотводов: Методические указания по выполнению лабораторной работы по курсу « Молниезащита »
для студентов направления 140400.-Томск: Изд. ТПУ, 2010- 10с.
Составители: доц., канд. физ.-мат. наук Ю. И. Кузнецов
ст. н. с., канд. техн. наук М. А. Соловьев
ассистент каф. ЭСВТ Е. В. Старцева
Рецензент ст.н.с., канд. техн. наук В.М.Муратов
Методические указания рассмотрены и рекомендованы к изданию
методическим семинаром кафедры электроэнергетических сетей и систем
Зав. кафедрой ЭСС
доцент, канд. техн. наук
Ю.С. Боровиков
2
Зоны защиты стержневых молниеотводов
Цель работы: изучение на модели защитного действия стержневых молниеотводов.
1.Краткие сведения
Защиты наземных сооружений, промышленных и электроэнергетических установок, открытых высоковольтных подстанций от прямых
ударов молнии (ПУМ) осуществляется установкой стержневых заземленных молниеотводов, возвышающихся над защищенным объектом и
воспринимающих на себя удары молнии. Для защиты проводов высоковольтных ЛЭП от ПУМ используются протяженные молниеотводыгрозозащитные заземленные тросы, смонтированные над проводами
ЛЭП.
Молниеотвод, являясь средством защиты от ПУМ, имеет
вокруг себя пространство, в котором находящиеся объекты поражаются
с малой вероятностью - это пространство называют зоной защиты молниеотвода. В силу того, что траектория завершения разряда молнии зависит от случайных процессов, определяющих ионизационные процессы в воздухе, практически невозможно полностью исключить вероятность ПУМ в защищаемый объект, расположенный около молниеотвода. Можно рассматривать зоны защиты только для определенных вероятностей прорыва ПУМ в эту зону, при этом чем меньше объем пространства рассматриваемой зоны, тем меньше вероятность поражения
молнией объекта, находящегося в этой зоне.
Действующие нормы и рекомендации по определению зон защиты
основаны на лабораторных исследованиях, выполненных на моделях
молниеотводов, исходя из их геометрического подобия с реальными.
Разряд молнии моделируется длинной искрой в разрядном промежутке
с электродами «стержень - заземленная плоскость».
В настоящее время для определения границ зоны защиты рекомендуются формулы, уточненные по результатам опыта эксплуатации.
Для одиночного стержневого молниеотвода высотой h ≤ 150 м зона
защиты представляет собой круговой конус ( рис.1 ) с вышиной на высоте h0 < h, сечение которого на высоте hx имеет радиус rx.
Граница зоны защиты, соответствующая вероятности прорыва
Pпр =0,005, находится по формулам:
h0 = 0,85·h;
rx = (1,1 – 0.002·h )( h-hx/0,85 )
(1)
Значение h0 < h учитывает возможность прорыва молнии не
сверху, а сбоку.
3
Если определяется граница зоны защиты, соответствующая
большей вероятности прорыва Pпр =0,05, используются формулы:
h0 = 0,92·h;
rx = 1,5( h – hx/0,92 ).
(2)
Рис.1 Зоны защиты одиночного молниеотвода
h- высота МО; hx- высота защищаемого объекта (ЗО); rx- радиус зоны
защиты на высоте hx; hа- активная высота МО ha=h-hx; Pпр -вероятность
прорыва ПУМ в зону защиты; Rз- сопротивление заземлителя.
Если два стержневых молниеотвода находятся вблизи один от
другого ( на расстоянии, меньшем 3….5h ), конфигурация границы зоны защиты между ними определяется в соответствии с рис. 2. Возникает
дополнительный объем зоны защиты, обусловленный совместным действием двух молниеотводов. Габаритные размеры зоны двойного
стержневого молниеотвода рассчитываются по формулам:
а) для Рпр=0,005:
hc = h0; при L ≤ h,
hc = h0 – (0.17 + 3·10-4 ·h )( L – h ) при L > h;
rcx = rx при L ≤ h;
rcx = [r0( hc – hx )]/hc при L > h;
б) для Рпр = 0,05:
4
(3)
hc = h0 при L ≤ 1.5h,
hc = h0 – 0.14( L – 1.5h ) при L > 1.5h;
rcx = rx при L≤ 1.5h,
(4)
rcx =[r0( hc – hx )]/hc при L > 1.5h.
Если расстояние L между молниеотводами превышает 3h (Рпр=0,005)
или 5h (Рпр=0,05), каждый из молниеотводов условно рассматривается
как
одиночный.
Рис. 2 Зона защиты двойного молниеотвода
Защитная зона четырех стержневых молниеотводов одинаковой высоты приведена на рис.3.
Условие защищенности всей площади выражается соотношением
D<8ha, а самая низшая точка зоны расположена в центре и имеет высоту:
h0=h-D/8,
(5).
где D- диагональ четырехугольника.
2.Программа работы и методические указания к проведению работы
Для проведения опытов используются генератор импульсных напряжений (ГИН – 1000кВ), стержень-высоковольтный электрод, имити
5
Рис.3 Зона защиты группового молниеотвода
рующий канал молнии, модели стержневых молниеотводов и объекта
на заземленной плоскости. Схема приведена на рис.4.
Схема испытаний
Рис.4
ИШ - измерительные шары; 1-высоковольтный электрод(молния); 2молниеотвод; 3-защищаемый объект.
2.1 Определить зону защиты одиночного молниеотвода.
6
Для оценки зон защиты одиночного молниеотвода определяется зависимость вероятности Р поражения защищаемого объекта (стержень с
высотой hx) от его расстояния до молниеотвода Р=f(rx). Для этого сначала устанавливают смещение между осью «молнии» и молниеотводом,
добиваясь равновероятного поражения молниеотвода и заземлённой
плоскости. Затем устанавливают объект с высотой hx1 и определяют три
значения Р при различных расстояниях rx, чтобы получить изменение Р
в диапазоне от 0,1 до 0,9. Вероятность Р определяется как отношение
числа поражений объекта «n0» к общему числу разрядов «n». Для каждого значения Р рекомендуется использовать 10-15 разрядов. Эта же
процедура проделывается еще для 2-х объектов, имеющих высоту hx2 и
hx3 . Результаты опытов-значения вероятности поражения-сразу наносятся на вероятностную бумагу для планирования опыта по выбору
другого расстояния от объекта до молниеотвода. Примерный график
зависимости Р от rx для 3-х различных высот объекта hx приведён на
рис.5.
Для построения зоны защиты, имеющей конкретное значение вероятности Р, следует провести горизонтальную линию на уровне Р и по
точкам её пересечения с прямыми линиями зависимостей Р(rx) для различных высот объектов hx вычертить кривую hx(rx). Значения вероятности поражения при  =0,01 ( или для других значений ) можно определить экстраполяцией полученных зависимостей до интересующих
значений . Расстояние от высоковольтного электрода ГИН до плоскости и вершины молниеотвода H=R рекомендуется принимать в 5-10 раз
больше высоты молниеотвода h.
Рис.5 Зависимость вероятности поражения объектов высотой hx1, hx2,
hx3, от расстояния rx.
7
Определение зоны защиты двух молниеотводов производится таким
же образом.
Определение вероятности поражения объекта высотой hx, расположенного в центре зоны защиты 4-х молниеотводов, производится аналогичным образом, используя различные hx .
Программа работы
1.Определить зону защиты одиночного стержневого молниеотвода для
вероятности  =0,01 при следующих данных: H=80-100см, h=20см,
hx1=10см, hx2=6см, hx3=3см, где hx1,hx2,hx3-высота модели защищаемого
объекта, устанавливаемого на 3-х различных расстояниях rx от молниеотвода.
Результаты занести на вероятностную бумагу и в табл.1.
Таблица 1
H=
hx1=10см
hx2=6см
hx3=3см
h=20 при х>10см
при х>16см
при х>22см
U=
rx1
rx2
rx3
rx1
rx2
rx3
rx1
rx2
rx3
Р
2.Определить минимальную ширину зоны защиты двух молниеотводов для какой-либо высоты hx.
3.Определить минимальную высоту зоны защиты в центре зоны 4-х
молниеотводов для вероятности Р =0,01 при следующих данных: H=80100см, h=20см, D=100см. Оценить вероятность Р при hx1=10см и
hx2=15см. Результаты занести на вероятностную бумагу, определить экстраполяциеαй h0 для  =0,01 и по формуле (5).
Содержание отчета
1. Рассчитать и построить зоны зашиты одиночного и двойного молниеотводов для вероятности Р1=0,005 и Р2=0,05. Высоту молниеотводов
(hм) и высоту объекта (hх) задает преподаватель.
2. На одном и том же рисунке построить зону защиты, определенную
экспериментально в лабораторной работе для одиночного молниеотвода и расчетную зону для высоты модельного молниеотвода.
3. Тоже, что в п. 2 для двойного молниеотвода.
4. Рассчитать минимальную высоту двух молниеотводов для защиты
портала на подстанции при расположении их по оси портала и перпендикулярно оси. Размеры портала задаёт преподаватель.
5. В отчете приведите рисунок, поясняющий понятие «защитный угол
троса» и рассчитайте вероятность прорыва молнии в зону защиты троса
Рα=f(α) в пределах изменения защитного угла α от 15° до 45°.
8
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
Контрольные вопросы
Назначение молниеотводов
Что называется зоной защиты молниеотвода?
Устройство молниеотвода
При каком расстоянии между молниеотводами их можно считать
одиночными?
При какой вероятности прорыва Р1=0,005 или Р2=0,05 объем зоны
защиты меньше?
Что называется активной высотой молниеотвода?
Как определяется защищенность объекта высотой hx в зоне защиты многократного молниеотвода?
Литература
1.Техника высоких напряжений / Под ред. М.В.Костенко.-М.: Высшая школа, 1973.-528с.
2.Техника высоких напряжений / Под ред. Д.В.Разевига.-М.: Энергия,
1976.-488с.
3.Базелян Э.М., Горин Б.Н., Левитов В.И. Физические и инженерные
основы молниезащиты.-Л.: Гидрометеоиздат, 1978.-224с.
9
Зоны защиты стержневых молниеотводов
Методические указания по выполнению лабораторной работы
Составители:
Юрий Иннокентьевич Кузнецов
Михаил Александрович Соловьев
Елена Вячеславовна Старцева
Подписано к печати
Формат 60х84/16 Бумага писчая № 2
Плоская печать. Усл. печ. л. .Уч.-изд. л. .
Тираж экз. Заказ . Цена свободная.
Издательство ТПУ. 634034, Томск, пр. Ленина,30.
10