Calculez la durée de la foudre si. Nous comptons la fréquence des coups de foudre dans un bâtiment

Paramètres du courant de foudre

Paramètre de foudre

Niveau de protection

Valeur de courant de crête, kA

Charge complète, C

Charge par impulsion, C

Énergie spécifique kJ/Ohm

Pente moyenne kA/μs

3.1.3. Foudre et électricité atmosphérique

La foudre est l'une des causes courantes de surtensions, d'interruptions et de pannes indésirables dans les systèmes d'automatisation. La charge accumulée dans les nuages ​​a un potentiel de l'ordre de plusieurs millions de volts par rapport à la surface terrestre et est souvent négative. La direction du courant de foudre peut aller du sol vers le nuage, avec charge négative nuages ​​(dans 90 % des cas), et du nuage au sol (dans 10 % des cas). La durée d'une décharge de foudre est en moyenne de 0,2 s, rarement jusqu'à 1...1,5 s, la durée du front montant de l'impulsion est de 3 à 20 μs, le courant est de plusieurs milliers d'ampères, jusqu'à 100 kA, la température dans le canal atteint 20 000 ˚C, un puissant champ magnétique et des ondes radio apparaissent [Vijayaraghavan]. La foudre peut également se former lors de tempêtes de poussière, de blizzards et d'éruptions volcaniques. Lors d'une décharge de foudre, plusieurs impulsions apparaissent (Fig. 3.64). La raideur du front dans les impulsions suivantes est beaucoup plus grande que dans la première (Fig. 3.65).

La fréquence des coups de foudre sur les bâtiments d'une hauteur de 20 m et de dimensions de 100x100 m est de 1 fois en 5 ans, et pour les bâtiments d'environ 10x10 m - 1 coup en 50 ans [RD]. Le nombre d'impacts directs de foudre sur la tour de télévision d'Ostankino, haute de 540 m, s'élève à 30 par an.

,

où est le courant maximum ; - Facteur de correction; - temps; - constante de temps de front ; - constante de temps de décroissance.

Les paramètres inclus dans cette formule sont donnés dans le tableau. 3.23. Elles correspondent aux décharges de foudre les plus puissantes, qui sont rares (moins de 5 % des cas [Vijayaraghavan]. Des courants de 200 kA surviennent dans 0,7...1 % des cas, 20 kA dans 50 % des cas [Kuznetsov]).

Les dépendances de la première impulsion du courant de foudre et de sa dérivée avec le temps, construites selon la formule (3.2), sont représentées sur la Fig. 3.65. Veuillez noter que les échelles de temps sur les graphiques diffèrent d'un facteur 10 et que l'échelle est logarithmique. Le taux de montée maximum (dérivée première) de la première impulsion est de 25 kA/µs, les impulsions suivantes - 280 kA/µs.

Le taux d'augmentation du courant est utilisé pour calculer l'ampleur de l'impulsion induite dans les câbles d'automatisation.

Les bâtiments et les structures ou parties de ceux-ci, en fonction de leur destination, de l'intensité de l'activité de la foudre dans la zone d'implantation et du nombre attendu de coups de foudre par an, doivent être protégés conformément aux catégories de dispositifs de protection contre la foudre et au type. de zone de protection. La protection contre les coups de foudre directs est réalisée à l'aide de paratonnerres divers types: tige, câble, treillis, combinés (par exemple câble-tige). Les paratonnerres à tige sont le plus souvent utilisés ; les paratonnerres à câble sont principalement utilisés pour protéger les structures longues et étroites. L'effet protecteur d'un paratonnerre sous forme de treillis appliqué sur la structure à protéger est similaire à l'action d'un paratonnerre classique.

L’effet protecteur d’un paratonnerre repose sur la capacité de la foudre à frapper les structures métalliques les plus hautes et bien mises à la terre. Grâce à cela, le bâtiment protégé, dont la hauteur est inférieure à celle du paratonnerre, ne sera pratiquement pas frappé par la foudre si toutes ses parties sont incluses dans la zone de protection du paratonnerre. La zone de protection d'un paratonnerre est considérée comme la partie de l'espace autour du paratonnerre qui assure dans une certaine mesure la protection des bâtiments et des structures contre les coups de foudre directs.

fiabilité. La surface de la zone de protection a le degré de fiabilité le plus faible et constant ; À mesure que vous avancez dans la zone, la fiabilité de la protection augmente. La zone de protection de type A a un niveau de fiabilité de 99,5 % ou plus, et la zone de protection de type B a un niveau de fiabilité de 95 % ou plus.

Schéma général de résolution du problème : produit quantification la probabilité que la foudre frappe un objet protégé situé sur une zone plane avec des conditions de sol assez uniformes sur le site occupé par l'objet, c'est-à-dire le nombre attendu de coups de foudre par an de l'objet protégé est déterminée. En fonction de la catégorie du dispositif de protection contre la foudre et de la valeur obtenue du nombre attendu de coups de foudre par an de l'objet protégé, le type de zone de protection est déterminé. Les distances mutuelles entre paratonnerres pris deux à deux sont calculées et les paramètres des zones de protection à une hauteur donnée du sol sont calculés.

Selon le type, le nombre et la position relative des paratonnerres, les zones de protection peuvent présenter une grande variété de formes géométriques. La fiabilité de la protection contre la foudre à différentes hauteurs est évaluée par le concepteur qui, si nécessaire, clarifie les paramètres du dispositif de protection contre la foudre et décide de la nécessité de calculs supplémentaires.

Les bâtiments et structures industriels, résidentiels et publics, en fonction de leurs caractéristiques de conception, de leur objectif et de leur importance, de la probabilité d'explosion ou d'incendie, des caractéristiques technologiques, ainsi que de l'intensité de l'activité de la foudre dans la zone de leur emplacement, sont divisés en trois catégories selon la protection contre la foudre : I - les bâtiments et structures industriels avec locaux explosifs des classes B-1 et B-2 selon le PUE ; cela comprend également les bâtiments des centrales électriques et des sous-stations ; II - les autres bâtiments et structures comportant des locaux explosifs non classés en catégorie I ; III - tous les autres bâtiments et structures, y compris les locaux présentant un risque d'incendie.

Pour évaluer l'activité orageuse dans différentes régions du pays, une carte de la répartition du nombre moyen d'heures d'orage par an est utilisée, sur laquelle sont tracées des lignes d'égale durée d'orages ou des données de la station météorologique locale correspondante.

La probabilité qu'un objet soit frappé par la foudre dépend de l'intensité de l'activité orageuse dans la zone de son emplacement, de la hauteur et de la superficie de l'objet et de certains autres facteurs et est quantifiée par le nombre attendu de coups de foudre par an. . Pour les bâtiments et ouvrages non équipés de protection contre la foudre, le nombre de dommages est déterminé par la formule

Où S Et L - respectivement, la largeur et la longueur du bâtiment protégé (structure), qui a une forme rectangulaire en plan, m ; h - le plus grand

hauteur de l'objet protégé, m ; P.- nombre annuel moyen de coups de foudre par 1 km 2 la surface de la terreà l'emplacement de l'objet, valeur P. avec une intensité égale d'activité orageuse sont déterminés à partir de tableaux. Pour les bâtiments configuration complexe lorsqu'il est calculé comme S Et L on considère la latitude et la longueur du plus petit rectangle dans lequel le bâtiment peut s'inscrire sur le plan.

La catégorie du dispositif de protection contre la foudre et le nombre attendu de coups de foudre par an de l'objet protégé déterminent le type de zone de protection : les bâtiments et structures appartenant à la catégorie I sont soumis à une protection obligatoire contre la foudre. La zone de protection doit avoir un degré de fiabilité de 99,5 % ou plus (zone de protection de type A) ; les zones de protection pour les bâtiments et ouvrages appartenant à la catégorie II sont calculées selon le type A, si N> 1, et tapez B sinon ; les zones appartenant à la catégorie III sont calculées selon le type A, si N > 2, et tapez B sinon. Cela s'applique uniquement aux bâtiments et structures classés comme explosifs et présentant un risque d'incendie. Pour tous les autres objets de cette catégorie, quelle que soit la valeur N le type de zone de protection est accepté B.

Le calcul de la protection contre la foudre des bâtiments et des structures consiste à déterminer les limites de la zone de protection paratonnerre, qui est l'espace protégé des coups de foudre directs. Zone de protection d'une seule hauteur de paratonnerre h  150 m représente cône circulaire, qui, selon le type de zone de protection, se caractérise par les dimensions suivantes :

h
elle

h
elle

(12.16)

Où h 0 - sommet du cône de la zone de protection, m ; r 0 - rayon de la base du cône au niveau du sol, m ; r x - rayon de la section horizontale de la zone de protection en hauteur h X du niveau du sol, m ; h X - hauteur de la structure protégée, m.

La zone de protection d'un paratonnerre à tige unique en plan est représentée graphiquement par un cercle du rayon correspondant. Le centre du cercle se trouve à l’endroit où est installé le paratonnerre.

Zone de protection d'un paratonnerre double jusqu'à 150 m de haut avec une distance entre paratonnerres égale à L, montré sur la fig. 12.1. La figure montre que la zone de protection entre deux paratonnerres a été considérablement réduite. grandes tailles, que la somme des zones de protection de deux paratonnerres simples. Une partie de la zone de protection

entre les paratonnerres dans la section passant par les axes des paratonnerres est un joint (Fig. 12.1), et ses parties restantes sont appelées parties d'extrémité.

La détermination des contours des parties d'extrémité de la zone de protection est effectuée selon les formules de calcul utilisées pour construire la zone de protection des paratonnerres simples, c'est-à-dire les dimensions h 0 , r 0 , r x1, r x2, sont déterminés en fonction du type de zone de protection à l'aide des formules (12.15) ou (12.16). En plan, les parties d'extrémité sont des demi-cercles avec un rayon r 0 ou r x, qui sont limités par des plans passant par les axes des paratonnerres perpendiculaires à la ligne reliant leurs bases.

La partie commune de la zone de protection est limitée par le haut par une ligne brisée, qui peut être construite à partir de trois points : deux d'entre eux reposent sur des paratonnerres en hauteur h 0, et le troisième est situé au milieu entre eux à une hauteur h c. Aperçu transversal de la zone de protection UN-UN(Fig. 12.1) sont déterminés selon les règles et formules adoptées pour les paratonnerres monotiges.

Les zones de protection du paratonnerre double tige ont les dimensions suivantes :

(12.17)

La zone A existe lorsque L  3 h , sinon, les paratonnerres sont considérés comme uniques ;

(12.18)

La zone B existe lorsque L  5h, sinon les paratonnerres sont considérés comme simples. Dans les formules (12.17), (12.18) L - distance entre les paratonnerres, m ; h c - hauteur de la zone de protection au milieu entre les paratonnerres, m ; r Avec - largeur de la section transversale de la zone de protection des joints AA(Fig. 12.1) au niveau du sol, m ; d - largeur de la section horizontale de la zone de protection des joints en section AA en haut h X du niveau du sol, m.

La condition principale pour la présence d'une zone de protection commune d'un paratonnerre à double tige est le respect de l'inégalité r CX > 0. Dans ce cas, la configuration de la zone de protection commune dans le plan est constituée de deux trapèzes isocèles ayant une base commune de longueur 2 r cx, qui se situe au milieu entre les paratonnerres. L'autre base du trapèze a une longueur de 2 r X. La ligne reliant les points d'installation des paratonnerres est perpendiculaire aux bases trapèze et les divise en deux. Si r CX = 0, la zone de protection commune en plan représente deux triangles isocèles dont les bases sont parallèles entre elles, et dont les sommets se trouvent en un point, situé au milieu entre les paratonnerres. Si la construction d'une zone de protection n'est pas réalisée.

Les objets situés sur une zone assez vaste sont protégés par plusieurs paratonnerres (paratonnerres multiples). Pour déterminer les limites extérieures de la zone de protection des paratonnerres multiples, on utilise les mêmes techniques que pour les paratonnerres simples ou doubles. Dans ce cas, pour calculer et construire les contours extérieurs de la zone, les paratonnerres sont pris par paires dans un certain ordre. La condition principale pour la protection d'une ou d'un groupe de structures d'une hauteur h X avec une fiabilité correspondant aux zones de protection UN Et B, est la réalisation de l’inégalité r CX > 0 pour tous les paratonnerres pris deux à deux.

Pour protéger les structures longues et étroites, ainsi que dans certains autres cas, des paratonnerres à câble unique sont utilisés.

La zone de protection formée par l'interaction des paratonnerres à câble et à tige (simples ou doubles) est déterminée de la même manière que la zone de protection d'un paratonnerre à plusieurs tiges. À

Dans ce cas, les supports du paratonnerre caténaire sont égaux aux paratonnerres à tige de hauteur A et au rayon de la base de la zone de protection r, selon le type de zone de protection.

Questions d'auto-test

1. Donner une classification des installations électriques concernant les mesures de sécurité électrique.

Énumérez les types de mise à la terre utilisés.

Décrire le dispositif de mise à la terre et la conception des conducteurs de mise à la terre.

4. Énumérez les caractéristiques des dispositifs de mise à la terre dans les installations jusqu'à 1 kV et plus.

5. Quel est le calcul des conducteurs de terre simples ?

6. Calculez la résistance électrique équivalente spécifique de la terre.

Décrivez l'effet protecteur d'un paratonnerre et catégorisez les bâtiments et les structures que vous connaissez.

Calculez la zone de protection d’un seul paratonnerre.

Calculez la zone de protection d'un paratonnerre à double tige et représentez la zone de protection pour différentes hauteurs du bâtiment protégé.

CHAPITRE TROISIEME

COMPTABILITÉ ET ÉCONOMIES D'ÉNERGIE

Durée annuelle moyenne des orages. Densité spécifique des coups de foudrenM.. Rayon de contraction Rst.. Nombre d'impacts directs de la foudre sur un objet.. Degré de danger de foudre.

La tâche du concepteur est de fournir dans le projet un système de protection contre la foudre fiable et approprié pour l’installation. Pour déterminer le nombre suffisant de mesures de protection assurant une protection efficace contre la foudre, il est nécessaire de comprendre le nombre prévu d'impacts directs de foudre sur la structure protégée. DANSTout d’abord, la fréquence des coups de foudre directs dépend de la fréquence des orages à l’emplacement de l’objet.

Ainsi, il n'y a presque pas d'orages au-dessus du cercle polaire arctique, mais en régions du sud Caucase du Nord, Région de Krasnodar, dans la zone subtropicale ou dans certaines régions de Sibérie et Extrême Orient, les orages sont fréquents. Pour évaluer l'activité orageuse, il existe des cartes régionales de l'intensité de l'activité orageuse, qui indiquent la durée moyenne des orages en heures par an. Bien entendu, ces cartes sont loin d’être parfaites. Cependant, ils se prêtent à des estimations approximatives. Par exemple, pour la partie centrale de la Russie, nous pouvons parler de 30 à 60 heures d'orage par an, ce qui équivaut à 2 à 4 éclairs par an pour 1 km. 2 la surface de la terre.

Densité spécifique des décharges de foudre

Nombre annuel moyen de coups de foudre par km 2 surface de la terre ou densité spécifique décharges de foudre ( nM) est déterminé à partir des données observations météorologiquesà l'emplacement de l'objet. S'il est inconnu, il peut être calculé à l'aide de la formule suivante :

nM = 6,7*T d /100 (1/km 2 ans)

Estimation de la fréquence des coups de foudre dans le rayon de contraction

Après avoir déterminé la densité spécifique des décharges de foudre, le concepteur doit estimer quelle proportion de ces coups de foudre frappera l'objet protégé.
Une évaluation peut être faite à l'aide du rayon de contraction (Rst). L'expérience montre qu'un objet de hauteur h attire en moyenne tous les éclairs à une distance allant jusqu'à : Premier ≈ 3h.

C'est le rayon de contraction. Dans le plan, vous devez tracer une ligne espacée du périmètre extérieur de l'objet à une distance Rst. La ligne limitera la zone de contraction (Sst). Il peut être calculé par toutes les méthodes disponibles (même en utilisant des cellules sur du papier millimétré).

Cette évaluation convient également aux objets de forme complexe, dont les fragments individuels ont des hauteurs fondamentalement différentes. Près de chacun des fragments, en fonction de leur hauteur spécifique, une courbe est construite qui limite sa propre zone de contraction. Naturellement, ils se chevaucheront partiellement. Seule la zone délimitée par l’enveloppe extérieure doit être prise en compte, comme le montre la Fig. 1. Cette zone déterminera le nombre attendu de coups de foudre.
Fig. 1

Le nombre de coups de foudre directs sur un objet protégé est déterminé simplement : la valeur de la surface de contraction, exprimée en kilomètres carrés, est multipliée par la densité spécifique des décharges de foudre :

N M = nM*SST.

Conclusions pratiques

Plusieurs conclusions évidentes découlent de cette technique.
Premièrement, le nombre d'impacts de foudre sur un seul objet concentré tel qu'une tour ou un support, dont la hauteur est bien supérieure aux autres. dimensions hors tout, sera proportionnel au carré de sa hauteur (Sst=π(3h) 2 ), et pour les objets étendus (par exemple, une ligne électrique) – proportionnellement à la hauteur à la première puissance. D'autres objets occupent une position intermédiaire dans la configuration.

Deuxièmement, avec l'accumulation de nombreux objets dans une zone limitée, lorsque leurs zones de contraction se chevauchent partiellement (développement urbain), le nombre de coups de foudre sur chacun des objets sera sensiblement inférieur à celui du même objet dans une zone ouverte.
Dans des conditions de bâtiments denses, lorsque l'espace libre entre les objets est nettement inférieur à leur hauteur, chacun des objets ne collectera pratiquement la foudre que dans la zone de son toit et sa hauteur cessera de jouer un rôle notable. Tout cela est confirmé de manière convaincante par l'expérience d'exploitation.

Niveau de danger de foudre

Lors de l'évaluation du degré de danger de la foudre, il y a une nuance qui est mieux expliquée par un exemple. Supposons que l'on estime le nombre d'impacts sur un mât d'antenne de 30 m de haut. Avec une bonne précision on peut supposer que son aire de contraction est un cercle de rayon Rst ≈ 3h = 90 m et est égal à Sst = 3,14*(90) 2 ≈25 000 m 2 = 0,025 km 2 .

Si à l'emplacement du mât la densité spécifique des décharges de foudre nM= 2, alors le mât devrait subir en moyenne chaque année Nm = 0,025 x 2 = 0,05 coups de foudre. Cela signifie qu'en moyenne, 1 coup de foudre se produira tous les 1/Nm = 20 ans d'exploitation. Naturellement, il est impossible de savoir quand cela se produira réellement : avec la même probabilité, cela peut se produire à tout moment, aussi bien au cours de la première année qu’au cours de la vingtième année d’exploitation.

Si nous évaluons le degré de danger de foudre pour un mât d'antenne spécifique du point de vue des propriétaires téléphones portables, alors vous pouvez probablement supporter une rupture de communication, ce qui peut arriver une fois tous les 20 ans d'exploitation. La compagnie de téléphone elle-même peut avoir une approche complètement différente. Si elle exploite non pas un, mais 100 systèmes d'antennes, il est peu probable que l'entreprise soit satisfaite de la perspective de réparations annuelles en moyenne de 100/20 = 5 unités d'antenne.

Il faut également dire qu’évaluer la fréquence des coups de foudre directs en soi ne dit pas grand-chose. En fait, ce n'est pas la fréquence des coups de foudre qui est importante, mais l'évaluation de la probabilité d'éventuelles conséquences destructrices de ceux-ci, qui permet de déterminer la faisabilité de certaines mesures de protection contre la foudre. Lisez aussi les articles de blog à ce sujet :