Рассчитайте продолжительность молнии если. Считаем частоту ударов молнии в здание

Параметры тока молнии

Параметр молнии

Уровень защиты

Пиковое значение тока, кА

Полный заряд, Кл

Заряд в импульсе, Кл

Удельная энергия кДж/Ом

Средняя крутизна кА/мкс

3.1.3. Молния и атмосферное электричество

Молнии являются одной из распространенных причин нежелательных перенапряжений, сбоев и отказов в системах автоматизации. Заряд, накапливаемый в облаках, имеет потенциал величиной около нескольких миллионов вольт относительно поверхности Земли и чаще бывает отрицательным. Направление тока молнии может быть как от земли к облаку, при отрицательном заряде тучи (в 90% случаев), так и от облака к земле (в 10% случаев). Длительность разряда молнии составляет в среднем 0,2 с, редко до 1…1,5 с, длительность переднего фронта импульса - от 3 до 20 мкс, ток составляет несколько тысяч ампер, до 100 кА, температура в канале достигает 20 000 ˚С, появляется мощное магнитное поле и радиоволны [Vijayaraghavan ]. Молнии могут образовываться также при пылевых бурях, метелях, извержениях вулканов. При разряде молнии появляется несколько импульсов (рис. 3.64). Крутизна фронта в последующих импульсах гораздо больше, чем в первом (рис. 3.65).

Частота поражения молнией зданий высотой 20 м и размерами в плане 100х100 м составляет 1 раз в 5 лет, а для зданий с размерами порядка 10х10 м - 1 попадание за 50 лет [РД ]. Количество прямых ударов молнии в Останкинскую телебашню высотой 540 м составляет 30 ударов в год.

,

где - максимум тока; - корректирующий коэффициент; - время; - постоянная времени фронта; - постоянная времени спада.

Параметры, входящие в эту формулу, приведены в табл. 3.23 . Они соответствуют наиболее сильным молниевым разрядам, которые встречаются редко (менее чем 5% случаев [Vijayaraghavan ]. Токи величиной 200 кА встречаются в 0,7...1% случаев, 20 кА - в 50% случаев [Кузнецов ]).

Зависимости первого импульса тока молнии и ее производной от времени, построенные по формуле (3.2), показаны на рис. 3.65 . Обратим внимание, что масштабы по времени на графиках различается в 10 раз и что масштаб указан логарифмический. Максимальная скорость нарастания (первая производная) первого импульса составляет 25 кА/мкс, последующих импульсов - 280 кА/мкс.

Скорость нарастания тока используется для расчета величины наведенного импульса в кабелях систем автоматизации.

Здания и сооружения или их части в зависимости от назначения, ин­тенсивности грозовой деятельности в районе местонахождения, ожидаемого количества поражений молнией в год должны защищаться в соответствии с категориями устройства молниезащиты и типом зоны защиты. Защита от прямых ударов молнии осуществляется с помощью молниеотводов различных типов: стержневых, тросовых, сетчатых, комбинированных (например, тросово-стержневых). Наиболее часто применяют стержневые молниеотводы, тросовые используют в основном для зашиты длинных и узких сооружений. Защитное действие молниеотвода в виде сетки, накладываемой на защищаемое сооружение, аналогично действию обычного молниеотвода.

Защитное действие молниеотвода основано на свойстве молнии поражать наиболее высокие и хорошо заземленные металлические сооружения. Благодаря этому защищаемое здание, более низкое по сравнению с молниеотводом по высоте, практически не будет поражаться молнией, если всеми своими частями оно будет входить в зону защиты молниеотвода. Зоной защиты молниеотвода считается часть пространства вокруг молниеотвода, обеспечивающая защиту зданий и сооружений от прямых ударов молнии с определенной степенью

надежности. Наименьшей и постоянной по величине степенью надежности обладает поверхность зоны защиты; по мере продвижения внутрь зоны надежность зашиты увеличивается. Зона защиты типа А обладает степенью надежности 99,5% и выше, а типа Б - 95% и выше.

Общая схема решения задачи: производится количественная оценка вероятности поражения молнией защищаемого объекта, расположенного на равнинной местности с достаточно однородными грунтовыми условиями на площадке, занятой объектом, т. е. определяется ожидаемое число поражений молнией в год защищаемого объекта. В зависимости от категории устройства молниезащиты и полученного значения ожидаемого числа поражений молнией в год защищаемого объекта определяется тип зоны защиты. Рассчитываются взаимные расстояния между попарно взятыми молниеотводами и производятся вычисления параметров зон защиты на заданной высоте от поверхности земли.

В зависимости от типа, количества и взаимного расположения молниеотводов зоны защиты могут иметь самые разнообразные геометрические формы. Оценка надежности молниезащиты на различных высотах производится проектировщиком, который в случае необходимости уточняет параметры молниезащитного устройства и решает вопрос о необходимости дальнейшего расчета.

Производственные, жилые и общественные здания и сооружения в зависимости от их конструктивных характеристик, назначения и значимости, вероятности возникновения взрыва или пожара, технологических особенностей, а также от интенсивности грозовой деятельности в районе их местонахождения подразделяются на три категории по устройству молниезащиты: I - производственные здания и сооружения со взрывоопасными помещениями классов В-1 и В-2 по ПУЭ; к ней относятся также здания электростанций и подстанций; II - другие здания и сооружения со взрывоопасными помещениями, не относимые к I категории; III - все остальные здания и сооружения, в том числе пожароопасные помещения.

Для оценки грозовой деятельности в различных районах страны используется карта распределения среднего числа грозовых часов в году, на которой нанесены линии равной продолжительности гроз или данные соответствующей местной метеорологической станции.

Вероятность поражения молнией какого-либо объекта зависит от интенсивности грозовой деятельности в районе его расположения, высоты и площади объекта и некоторых других факторов и количественно оценивается ожидаемым числом поражений молнией в год. Для зданий и сооружений, не оборудованных молниезащитой, число поражений определяется по формуле

где S и L - соответственно ширина и длина защищаемого здания (сооружения), имеющего в плане прямоугольную форму, м; h - наибольшая

высота защищаемого объекта, м; п - среднегодовое число ударов молнии на 1 км 2 земной поверхности в месте расположения объекта, значения п при равной интенсивности грозовой деятельности определяются по таблицам. Для зданий сложной конфигурации при расчете в качестве S и L рассматриваются широта и длина наименьшего прямоугольника, в который может быть вписано здание в плане.

Категория устройства молниезащиты и ожидаемое число поражений молнией в год защищаемого объекта определяют тип зоны защиты: здания и сооружения, относящиеся к I категории, подлежат обязательной молниезащиты. Зона защиты должна обладать степенью надежности 99,5% и выше (зона защиты типа А); зоны защиты для зданий и сооружений, относящихся ко II категории, рассчитываются по типу А, если N > 1, и по типу Б в противном случае; зоны, относящиеся к III категории, рассчитываются по типу А, если N > 2, и по типу Б в противном случае. Это касается только зданий и сооружений, которые относятся к взрыво- и пожароопасных. Для всех остальных объектов этой категории независимо от значения N тип зоны защиты принимается Б.

Расчет молниезащиты зданий и сооружений заключается в определении границ зоны защиты молниеотводов, которая представляет собой пространство, защищаемое от прямых ударов молнии. Зона защиты одиночного стержневого молниеотвода высотой h  150 м представляет собой круговой конус, который в зависимости от типа зоны защиты характеризуется следующими габаритами:

з
она

з
она

(12.16)

где h 0 - вершина конуса зоны защиты, м; r 0 - радиус основания конуса на уровне земли, м; r x - радиус горизонтального сечения зоны защиты на высоте h x от уровня земли, м; h x - высота защищаемого сооружения, м.

Зона защиты одиночного стержневого молниеотвода в плане графически изображается окружностью соответствующего радиуса. Центр окружности находится в точке установки молниеотвода.

Зона защиты двойного стержневого молниеотвода высотой до 150 м при расстоянии между молниеотводами, равном L , изображена на рис. 12.1. Из рисунка видно, что зона защиты между двумя стержневыми молниеотводами имеет значительно большие размеры, чем сумма зон защиты двух одиночных молниеотводов. Часть зоны защиты

между стержневыми молниеотводами в сечении, проходящем через оси молниеотводов, является совместной (рис. 12.1), а остальные ее части называются торцевыми.

Определение очертаний торцевых частей зоны защиты выполняется по расчетным формулам, используемым для построения зоны защиты одиночных молниеотводов, т. е. габариты h 0 , r 0 , r x 1 , r x 2 , определяются в зависимости от типа зоны защиты по формулам (12.15) или (12.16). В плане торцевые части представляют собой полуокружности радиусом r 0 или r x , которые ограничиваются плоскостями, проходящими через оси молниеотводов перпендикулярно линии, соединяющей их основания.

Совместная часть зоны защиты ограничивается сверху ломаной ли­нией, которую можно построить по трем точкам: две из них лежат на молниеотводах на высоте h 0 , а третья расположена посередине между ними на высоте h c . Очертания зоны защиты в сечении A -A (рис. 12.1) определяются по правилам и формулам, принятым для одиночных стержневых молниеотводов.

Зоны защиты двойного стержневого молниеотвода имеют следующие габариты:

(12.17)

Зона А существует при L  3 h , в противном случае молниеотводы рассматриваются как одиночные;

(12.18)

Зона Б существует при L  5h , в противном случае молниеотводы рассматриваются как одиночные. В формулах (12.17), (12.18) L - расстояние между молниеотводами, м; h c - высота зоны защиты по­середине между молниеотводами, м; r с - ширина совместной зоны защиты в сечении А-А (рис. 12.1) на уровне земли, м; г - ширина горизонтального сечения совместной зоны защиты в сечении А-А на высоте h x от уровня земли, м.

Основным условием наличия совместной зоны защиты двойного стержневого молниеотвода является выполнение неравенства r сх > 0. В этом случае конфигурация совместной зоны защиты в плане представляет собой две равнобедренные трапеции, имеющие общее основание длиной 2r сх, которое лежит посередине между молниеотводами. Другое основание трапеции имеет длину 2r х. Линия, соединяющая точки установки молниеотводов, является перпендикулярной основаниям трапеции и делит их пополам. Если r сх = 0, совместная зона защиты в плане представляет собой два равнобедренных треугольника, основания которых параллельны между собой, а вершины лежат в одной точке, находящейся посередине между молниеотводами. Если построение зоны защиты не производится.

Объекты, расположенные на достаточно большой территории, защи­щаются несколькими молниеотводами (многократный молниеотвод). Для определения внешних границ зоны защиты многократных молниеотводов используются те же приемы, что и для одиночного или двойного стержневых молниеотводов. При этом для расчета и построения внешних очертаний зоны молниеотводы берут попарно в определенной последовательности. Основным условием защищенности одного или группы сооружений высотой h x с надежностью, соответствующей зонам защиты А и Б , является выполнение неравенства r сх > 0 для всех попарно взятых молниеотводов.

Для защиты длинных и узких сооружений, а также в некоторых других случаях используются одиночные тросовые молниеотводы.

Зона защиты, образованная взаимодействием тросового и стержневых (одиночных или двойных) молниеотводов, определяется так же, как и зона защиты многократного стержневого молниеотвода. При

этом опоры тросового молниеотвода приравниваются к стержневым молниеотводам высотой А и радиусом основания зоны защиты r , за-висящи м от типа зоны защиты.

Вопросы для самопроверки

1. Приведите классификацию электротехнических установок относительно мер электробезопасности.

Перечислите виды применяемых заземлений.

Опишите устройство заземлений и исполнение заземлителей.

4. Перечислите особенности заземляющих устройств в установках до и выше 1 кВ.

5. В чем заключается расчет простых заземлителей?

6. Произведите расчет удельного эквивалентного электрического сопротивления земли.

Опишите защитное действие молниеотвода и выполните категорирование известных Вам зданий и сооружений.

Выполните расчет зоны защиты одиночного стержневого молниеотвода.

Выполните расчет зоны защиты двойного стержневого молниеотвода и изобразите зону защиты для разных высот защищаемого здания.

ГЛАВА ТРИНАДЦАТАЯ

УЧЕТ И ЭКОНОМИЯ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ

Среднегодовая продолжительность гроз.. Удельная плотность ударов молнии n M .. Радиус стягивания Rст.. Число прямых ударов молнии в объект.. Степень опасности молнии.

Задача проектировщика – предусмотреть в проекте надежную и целесообразную систему молниезащиты объекта. Чтобы определить достаточный объем защитных мероприятий, обеспечивающих эффективную защиту от молний, необходимо представлять себе прогнозируемое число прямых ударов молнии в защищаемое сооружение. В первую очередь частота прямых ударов молнии зависит от частоты гроз в месте расположения объекта.

Так, за полярным кругом гроз почти не бывает, а в южных районах Северного Кавказа, Краснодарского края, в полосе субтропиков или в некоторых районах Сибири и Дальнего Востока, грозы – явление частое. Для оценки грозовой активности существуют региональные карты интенсивности грозовой деятельности, на которых указана средняя продолжительность гроз в часах за год. Конечно, карты эти далеки от совершенства. Тем не менее, для ориентировочных оценок они годятся. Например, для средней части России речь может идти о 30–60 грозовых часов в год, что эквивалентно 2–4 ударам молнии в год на 1 км 2 земной поверхности.

Удельная плотность грозовых разрядов

Среднегодовое число ударов молнии на 1 км 2 поверхности земли или удельная плотность грозовых разрядов (n M ) определяется по данным метеорологических наблюдений в месте размещения объекта. Если же она неизвестна, то ее можно рассчитать по следующей формуле:

n M = 6,7*Td /100 (1/км 2 год)

Оценка частоты ударов молнии через радиус стягивания

Определив удельную плотность грозовых разрядов, проектировщику нужно оценить, какая доля этих молний попадет в защищаемый объект.
Оценку можно произвести при помощи радиуса стягивания (Rст). Опыт показывает, что объект высотой h в среднем притягивает к себе все молнии с расстояния вплоть до: Rст ≈ 3h .

Это и есть радиус стягивания. В плане надо провести линию, которая отстоит от внешнего периметра объекта на расстояние Rст. Линия ограничит площадь стягивания (Sст). Ее можно вычислить любыми доступными методами (хоть по клеточкам на миллиметровке).

Такая оценка пригодна и для объектов сложной формы, отдельные фрагменты которых имеют принципиально различную высоту. Около каждого из фрагментов, исходя из их конкретной высоты, строится кривая, ограничивающая собственную площадь стягивания. Естественно, что частично они наложатся друг на друга. Во внимание должна быть принята только площадь, ограниченная внешней огибающей, как это показано на рис. 1. Эта площадь и определит ожидаемое число ударов молнии.
Рис.1

Число прямых ударов молнии в защищаемый объект определяется просто: выраженное в квадратных километрах значение площади стягивания умножается на удельную плотность грозовых разрядов:

N M = n M *Sст .

Практические выводы

Из этой методики следуют несколько очевидных выводов.
Во-первых, число ударов молнии в одиночный сосредоточенный объект типа башни или опоры, у которого высота много больше других габаритных размеров, окажется пропорциональным квадрату его высоты (Sст=π(3h) 2 ), а у протяженных объектов (например, у линии электропередачи) – пропорциональным высоте в первой степени. Другие по конфигурации объекты занимают промежуточное положение.

Во-вторых, при скоплении многих объектов на ограниченной территории, когда их площади стягивания частично накладываются друг на друга (городская застройка), число ударов молнии в каждый из объектов будет заметно меньше, чем в тот же объект на открытой местности.
В условиях же плотной застройки, когда свободное пространство между объектами значительно меньше их высоты, то каждый из объектов практически будет собирать молнии только с площади своей крыши, а его высота перестанет играть хоть сколько-нибудь заметную роль. Всё это убедительно подтверждается опытом эксплуатации.

Степень опасности молнии

При оценке степени опасности молнии есть один нюанс, который лучше пояснить на примере. Предположим, оценивается число ударов в антенную мачту высотой 30 м. С хорошей точностью можно считать, что ее площадь стягивания представляет собой круг радиусом Rст ≈ 3h = 90 м и равна Sст = 3,14*(90) 2 ≈25 000 м 2 = 0,025 км 2 .

Если в месте размещения мачты удельная плотность разрядов молнии n M = 2, то мачта ежегодно в среднем должна принимать на себя Nм = 0,025 х 2 = 0,05 удара молнии. Это означает, что в среднем 1 удар молнии будет происходить через каждые 1/Nм = 20 лет эксплуатации. Естественно, нельзя знать, когда это случится на самом деле: с равной вероятностью это может произойти в любое время, как в первый год, так и на двадцатый год эксплуатации.

Если оценивать степень опасности молнии для конкретной антенной мачты с позиций владельцев мобильных телефонов, то можно, наверное, мириться с перерывом в связи, который может произойти один раз за 20 лет эксплуатации. У самой же телефонной компании подход может быть принципиально иным. Если она эксплуатирует не одну, а 100 антенных систем, то вряд ли компанию устроит перспектива ежегодного ремонта в среднем 100/20 = 5 антенных блоков.

Нужно также сказать о том, что оценка частоты прямых ударов молнии сама по себе мало о чем говорит. На самом деле важна не частота ударов молний, а оценка вероятности возможных разрушительных последствий от них, позволяющая определить целесообразность тех или иных мер защиты от молнии. Об этом читайте также статьи блога: