Теоретичні положення

Перенапруги при прямому ударі блискавки (ПУБ) завжди перевищують рівень ізоляції електроустаткування і приводять до її пробою або поверхневого перекриття. В ізоляції утворюється провідний канал, по якому спочатку в землю стікають атмосферні заряди, тобто проходить струм блискавки, а потім протікає струм промислової частоти, підтримуваний джерелами е. р. с. енергосистеми (для енергосистем із заземленою нейтраллю – це струм короткого замикання).

Через високу вартість устаткування підстанцій і труднощі ліквідації наслідків короткого замикання правила будови електроустановок вимагають, щоб у всіх випадках були виключені прямі удари блискавки в устаткування підстанції.

Захист підстанцій від ПУБ здійснюється вертикальними стрижневими блискавковідводами. Для розрахунку захисних зон блискавковідводів розроблена інженерна методика, що базується на результатах лабораторних експериментів.

Грозова хмара і “лідер”, що опускається з неї (рис. 5.1), обумовлюють нагромадження на землі і різних об'єктах зарядів протилежного знаку. На високому об’єкті ці заряди створюють високу напруженість електричного поля, майже завжди достатню для іонізації повітря і розвитку зустрічного лідера, до якого і спрямовується розряд блискавки.

На здатності блискавки вражати металеві предмети, що височать над землею, заснована захисна дія блискавковідводів.

Висота Н, при якій лідер починає орієнтуватися на найбільш високий заземлений об'єкт, називається висотою орієнтування блискавки. Встановлено, що для стрижневих блискавковідводів висотою h 30 м

Н = (10...20) h, ( 5.1 )

для більш високих – Н= 600 м.

Рис. 5.1. Розвиток блискавки і зустрічного лідера

Якщо точка орієнтування блискавки знаходиться над блискавковідводом (рис.5.2), то в нього і потрапить удар. Якщо ця точка, залишаючись на тій же висоті, зміститься на відстань R, то поки:

R 3,5hp = R₀, (5.2)

усі ПУБ потраплять у блискавковідвід, а при:

R>R₀, (5.3)

потраплять або в блискавковідвід, або в землю поблизу його, де р = 1, якщо h 30 м.

При h >30 м:

, (5.4)

де h – висота блискавковідводу.

При цьому на землі поблизу блискавковідводу є зона радіуса r₀ = 1,6 h p, куди ПУБ не потрапляє.

Прийнято називати зону радіуса R₀ зоною 100 %–ного влучення в блискавковідвід, а радіуса r₀ — зоною захисту на рівні землі.

Рис.5.2. Зона 100 %–ного влучення у блискавковідвід і зона захисту

Якщо об’єкт має висоту h_х, то радіус зони захисту може бути визначений за емпіричною формулою, справедливою для блискавковідводів висотою h 60 м:

, (5.5)

або ламаною лінією 1 рис.5.3,а.

При значній висоті об’єкта і блискавковідводу на їхній вершині збирається великий заряд, напруженість поля різко зростає, іонізація охоплює всю верхню частину блискавковідводу, і властивості блискавки слабшають.

Тому для блискавковідводів з h = 60...250 м вважають, що зона захисту, обумовлена за (5.5), усічена на відстані Δ h від вершини (рис.5.3,б) на величину:

Δ h = 0.2 h при 100< h <250 м.

Зона захисту двох стрижневих спільно діючих блискавковідводів (подвійного блискавковідводу) більша суми зон захисту двох окремих блискавковідводів такої ж висоти. Дійсно, якщо два блискавковідводи знаходяться на відстані а = 2R ₀ = 7 h, то всі ПУБ потраплять у блискавковідводи. Якщо об’єкт, що захищається, лежить на висоті h ₀ між блискавковідводами висотою h (рис.5.4), то:

а <7(h – h₀). (5.7)

Найменша ширина b_х зони захисту на рівні h_x визначається за графіками (рис. 5.5). Інші побудови внутрішньої частини зони захисту і побудова її зовнішньої частини наведені на рис.5.4, де ρ – радіус кола, що проходить через вершини блискавковідводів і точку, що знаходиться на рівні h₀. Для кожного з блискавковідводів, у яких 60 h 250 м, зона захисту зверху відсікається (рис. 5.6) на величину Δ h, обумовлену згідно з виразом (5.6). В усіх випадках, коли 30 < h < 250 м, коефіцієнт р визначається за формулою (5.4).

а б

Рис. 5.3. Зона захисту стержневого блискавковідводу висотою:

а – до 60 м; б – більш 60 м

Рис.5.4.Зона захисту двох стрижневих блискавковідводів висотою до 60 м

Рис.5.5. Найменша ширина зони захисту двох блискавковід-водів висотою до 30 м

Зона захисту трьох блискавковідводів складається з двох частин (рис. 5.7): зовнішньої, яка лежить на поверхні землі поза трикутником, вершинами якого є місця встановлення блискавковідводів, і внутрішньої, що знаходиться в цьому трикутнику.

Рис. 5.6. Зона захисту двох стрижневих блискавковідводів висотоюбільш як 60 м

Зовнішня частина зони захисту розраховується для кожної пари блискавковідводів за наведеною методикою, а для внутрішньої частини – лише визначається найвищий рівень h₀ ,захищений по всій площі трикутника. Для такої перевірки через блискавковідводи проводиться допоміжне коло.

Рис.5.7.Захисна зона трьох стрижневих блискавковідводів

Необхідною умовою захищеності всієї площі трикутника на рівні h₀ є:

D<S(h–h_o)p, (5.8)

де D – діаметр допоміжного кола;

р – коефіцієнт, який визначається згідно з (5.4).

При h > 60 м зовнішня частина зони захисту відсікається від вершини на відстані Δh, визначеній за формулою (5.6), а внутрішня частина зони не відсікається.

При довільному розташуванні декількох блискавковідводів їхня зона захисту розглядається як сума зон будь–яких трьох сусідніх блискавковідводів.

Вважається, що зона захисту двох блискавковідводів різної висоти складається з двох частин (рис.5.8): зони захисту більшого блискавковідводу 1 і зони захисту двох блискавковідводів 2 і 3однакові висоти, з яких один (3)є фіктивним. Для визначення відстані а_ф між блискавковідводом меншої висоти та фіктивним спочатку будується зона захисту одиночного блискавковідводу більшої висоти, а потім з вершини меншого блискавковідводу 2проводиться горизонтальна лінія до перетинання з цією зоною в точці 3, що і приймається за вершину фіктивного блискавковідводу. Для стрижневих блискавковідводів h < 60 м зона захисту в їхніх вершин відсікається на відстані Δ h від вершини конкретно для кожного з блискавковідводів і відповідності до формули (5.6).

Рис. 5.8. Зона захисту двох блискавковідводів різної висоти

Надійність блискавкозахисту характеризується кількостю β проривів блискавки за 1 рік на захищений об'єкт або кількостю років, за які очікується один прорив блискавки в зону захисту:

М=1/β, (5.9)

де

β = ΨN, (5.10)

де Ψ – імовірність прориву в зону захисту;

N – сумарна кількість ударів за 1 рік у блискавковідводи, що захищають об'єкт, і в сам об'єкт.

Площа зони 100 %–ного влучення в одиночний стрижневий блискавковідвід (км²):

S = πR₀ = π(3,5h)² = 38,5h·10^–6. (5.11)

Кількість ударів блискавки в землю площею 1 км² за 1 год грози

j = 0,06 (км²ч)^–1. (5.12)

Тому при середній тривалості Т (год) грозового сезону в даній місцевості очікувана кількість ударів блискавки на рік в одиночний блискавковідвід

N = jST = 2,3 h ² T· 10^–6, (5.13)

де h – висота блискавковідводу, м.

Радіус зони 100 %–ного влучення у блискавковідвід можна вважати незмінним і рівним 3,5 h як при великій кількості блискавковідводів, так і при розгляді ударів блискавки у велике спорудження (рис. 5.9). Тому кількість ударів у спорудження довжиною l (м), шириною т (м) і висотою h (м) визначається за формулою (5.13), де:

S = (l +7 h) (m + 7 h). (5.14)

Імовірність Ψ прориву блискавки на об'єкт особливо велика при його розташуванні в краю зони захисту. Чим глибше знаходиться об'єкт, тим ця імовірність менша.

Для відкритих розподільних пристроїв станцій і підстанцій, а також для підсобних споруджень вважаються достатніми зони захисту, визначені з імовірністю прориву Ψ 10^–2. Для шинопроводів високої відповідальності і вводів апаратів використовуються зони захисту з імовірністю Ψ 10^–3.

Найменша імовірність прориву блискавки на об'єкт відповідає його розміщенню в глибині внутрішньої частини зони захисту багаторазових блискавковідводів.

Зрозуміло, що в того самого блискавковідводу захисна зона, при якій імовірність прориву нижче, має менші розміри (рис.5.10).

Рис.5.9. До визначення площі, з якої блискавковідводи збирають на себе удари блискавки