|
Архитектура Аудит Военная наука Иностранные языки Медицина Металлургия Метрология Образование Политология Производство Психология Стандартизация Технологии |
|
|
Архитектура Аудит Военная наука Иностранные языки Медицина Металлургия Метрология Образование Политология Производство Психология Стандартизация Технологии |
Прохождение электромагнитной волны мимо емкости
Пусть на шины подстанции подключена емкость С. По линии Z1 набегает электромагнитная волна с прямоугольным фронтом. Эквивалентная схема представлена на рис. 1.5. На практике электромагнитные волны, подходя к подстанции, преодолевают не только индуктивности, но и зачастую проходят мимо емкости (см. рис. 1.5). Рассмотрим, какое же влияние окажет емкость на прямоугольную волну бесконечной длины.
Рис. 1.5. Прохождение электромагнитной волны мимо емкости
Для эквивалентной схемы составим уравнения по закону Кирхгофа и закону полного тока:
Продифференцируем второе уравнение системы (1.29) и выразим iС.
Подставим (1.30) в третье уравнение системы (1.29):
Подставим (1.31) в первое уравнение системы (1.29):
Разделим переменные:
Дальнейшие операции произведем по аналогии с выводом формул для прохождения электромагнитной волны через индуктивность. После интегрирования и последующего потенцирования, имеем:
С учетом
где TС = СZ1Z2/( Z1 + Z2) – постоянная времени. Из уравнения (1.34) видно, что амплитуда преломленной волны Uпр на шинах подстанции уменьшится на коэффициент преломления a, а фронт волны будет возрастать по экспоненте с постоянной времени TС, т.е. произойдет сглаживание фронта волны (рис. 1.6). Так как Uпад+ Uотр = Uпр, то напряжение отраженной волны:
или
Напряжение отраженной волны в первый момент времени
т.е. волна, отраженная от емкости, в отличие от волны, отраженной от индуктивности, изменяет знак и затем убывает по экспоненте (см. рис. 1.6). На подстанциях с воздушными линиями для сглаживания фронта выгодно ставить емкость, так как электромагнитная волна, движущееся по таким линиям, несет энергию, большая часть которой заключена в электрическом поле. На подстанциях с кабельными вставками лучше ставить индуктивность, так как вся энергия волны заключена в магнитном поле.
Развитие грозового разряда Атмосферными называют перенапряжения, которые возникают в электрических системах в результате грозовой деятельности. Ультрафиолетовое излучение Солнца и космические лучи ионизируют атмосферу, в результате вокруг Земли на высоте 50 км возникает проводящая оболочка – ионосфера (рис. 1.7). Эта оболочка и Земля образуют сферический конденсатор, который заряжается от разрядов молнии до 400 кВ.
Рис. 1.7. Ионосфера Земли
Молния, ударяющая в Землю, несет отрицательный заряд, положительные заряды уходят в ионосферу. В электротехнике потенциал Земли принимают за ноль, однако реально на поверхности Земли имеется избыточный отрицательный заряд. Следует различать два явления: излучение делает ионосферу электропроводящей, а молния заряжает этот сферический конденсатор. Воздух не является идеальным диэлектриком, потому непрерывно идет обратный процесс – разряд конденсатора, суммарный ток разряда равен 6 кА. Потенциал Земли в течение суток изменяется, так как интенсивность грозовой деятельности приходится на момент, когда Земля повернута в сторону Солнца Атлантическим океаном, это соответствует 18 часам. При охлаждении мощных вертикальных потоков теплого влажного воздуха на высоте 3–5 км происходит конденсация паров воды. В силу того, что планета Земля несет на себе избыточный отрицательный электрический заряд, происходит электризация капель воды в электрическом поле Земли. В грозовом облаке капли разбрызгиваются потоками воздуха, что приводит к разделению зарядов. Экспериментально установлено, что крупные капли приобретают положительный заряд, а мелкая водяная пыль оказывается заряженной отрицательно. Кроме того, кристаллики льда могут быть наэлектризованы трением о воздух или путем облучения их ультрафиолетовыми лучами Солнца. Крупные положительно заряженные капли выпадают на Землю в виде дождя, унося положительный заряд. Между облаком и Землей возникает электрическое поле средней напряжённостью порядка 0, 1 кВ/мм.
Облако, разделенное по изотерме –100С на разноименно заряженные части, называется биполярным. Если потоками воздуха верхняя часть облака отрывается от его основания, то образуется униполярное облако, несущее заряды одного знака. Рассмотрим развитие разряда между отрицательным облаком и Землей. Космическое излучение и ультрафиолетовые лучи от солнца непрерывно ионизируют воздух, в 1 см3 каждую секунду образуется и рекомбинирует 60 пар ионов. В том случае, если локальная напряженность электрического поля превысит 2–3 кВ/мм, электрон разгоняется электрическим полем, соударяется с нейтральной молекулой и ионизирует ее (рис. 1.9, а), т.е. происходит ударная ионизация. Далее путь продолжают два электрона, от которых при соударении возникнут еще два электрона, от четырех возникнет восемь и т.д. Пространство, в котором идут процессы ионизации с нарастающей интенсивностью, называется лавиной электронов.
а б в
Рис. 1.9. Развитие начальной лавины
Лавины подразделяются на первичные, образовавшиеся от внешнего источника излучения (рис. 1.9, б), и вторичные, возникшие от излучения первичной лавины (рис. 1.9, в). Электроны под действием электрического поля уходят из лавины (рис. 1.10, а), оставляя после себя положительные ионы, которые из-за их большей массы перемещаются со значительно меньшей скоростью, чем электроны.
а б
Рис. 1.10. Развитие канала стримера
Разделение зарядов сопровождается испусканием фотонов, которые порождают вторичные электроны, и те, в свою очередь, приводят к образованию вторичных лавин, направленных в сторону головки первичной лавины. Электроны вторичных лавин втягиваются в полость первичной (рис. 10, б) и двигаются по направлению к облаку, образуется поток электронов внутри начальной лавины; такой поток называют стримером. Фронт стримера интенсивно испускает фотоны. Фотоны, испускаемые фронтом стримера, образуют вторичные лавины, направленные к фронту стримера (рис. 1.11, а). Стример движется по каналу начальной лавины, питаясь электронами вторичных лавин. Амплитуда тока во фронте стримера достигает 10 А. Концентрация ионов в стримере составляет 1012 ион/см3. Скорость движения фронта стримера 1, 0–10, 0 м/мкс. Как только стример заполняет весь канал начальной лавины (рис. 1.11, б), происходит образование первичных лавин из конца стримера (рис. 1.11, в).
Рис. 1. 11. Стример
Ток в канале стримера постоянно увеличивается за счет втягивания в него электронов из вновь образовавшихся вторичных лавин. Так как весь этот ток проходит через прикатодную область (рис. 1.12, а), то именно здесь начинается интенсивная термоионизация. В результате происходит переработка канала стримера в хорошо проводящий плазменный канал – лидер (см. рис. 1.12, б). Визуально этот процесс наблюдается в виде яркого свечения, быстро распространяющегося по каналу стримера. Концентрация зарядов в лидерном канале достигает 1018 ион/см3, а ток составляет сотни ампер.
а б в г
Рис. 1.12. Развитие стримера и лидера
Лидер движется быстрее стримера (рис. 1.12, б) и в некоторый момент полностью заполнит его, наступает пауза (рис. 1.12, в). Лидер вследствие его высокой проводимости можно уподобить металлическому стержню. Высокая напряженность электрического поля на конце такого стержня приводит к образованию нового стримера, продолжающего разрядный канал (рис. 1.12, г). Естественно, что такой механизм развития разряда позволяет лидеру перекрывать большие расстояния при относительно малых средних напряженностях поля. Действительно, в длинных воздушных промежутках разряд происходит при средних напряженностях электрического поля порядка 0, 1–0, 2 кВ/мм, причем чем длиннее промежуток, тем меньше напряженность поля, при которой происходит разряд. Это свойство лидерного разряда создает трудности при построении линий электропередач сверхвысокого напряжения. Лидер продвигается с паузами, поэтому он получил название ступенчатого лидера. После паузы лидер распространяется не прямолинейно к земле, а может изменить направление движения в зависимости от места появления начального электрона у конца лидера. Визуально мы наблюдаем молнию в виде изломанной линии. Впереди лидерного канала (рис. 1.13, а) прорастают стримеры со скоростью 1–10 м/мкс, прокладывающие путь ступенчатому лидеру. Скорость прорастания каждой ступени лидера 50 м/мкс. Средняя длина ступени 50 м. Пауза между отдельными толчками составляет 30–90 мкс. Потенциал лидера равен 6 МВ, вокруг лидерного канала образуется коронный чехол, в котором сосредотачивается значительная часть заряда лидера. В момент, когда лидер достигает земли (рис. 1.13, б), по лидерному каналу от земли начинает распространяться разрядная волна, снижающая потенциал лидера до нуля (рис. 1.13, в). Процесс распространения по лидерному каналу разрядной волны называется главным разрядом (или обратным разрядом). Визуально такое явление воспринимается как собственно разряд молнии. Главный разряд распространяется в ионизированной среде коронного чехла, поэтому скорость движения разрядной волны составляет 15–150 м/мкс. По мере удаления от земли скорость главного разряда и интенсивность свечения уменьшаются.
а б в г
Рис. 1.13. Переход лидерного канала в стадию главного разряда
Скорость движения разрядной волны зависит от времени, которое затрачивается на перестройку канала лидера в главный разряд. Распространение от земли к облаку разрядной волны эквивалентно стеканию в землю отрицательных зарядов лидера. Сначала стекают заряды, сосредоточенные в самом лидерном канале. Когда лидерный канал приобретает нулевой потенциал, возникает явление «обратной короны», т.е. коронного разряда из области коронного чехла по направлению к лидерному каналу. В результате заряд коронного чехла также стекает по лидерному каналу в землю. Ток главного разряда I = qV, где q – заряд; V – скорость движения заряда. Поскольку скорость главного разряда велика, то амплитуда тока молнии достигает десятков и даже сотен тысяч ампер, однако длительность тока молнии ограничена в основном временем пробега разрядной волны, которое составляет 50–100 мкс. Главный разряд приводит к резкому возрастанию проводимости канала молнии. Через этот канал по завершению главного разряда стекают остаточные заряды лидера и облака. В этой стадии, называемой стадией послесвечения, ток достигает сотен и лишь изредка тысяч ампер. Этим током через канал молнии переносится основной заряд из той части грозового облака, из которой начался разряд. В стадии послесвечения молния может быть уподоблена дуге постоянного тока между облаком и землей. Эта дуга поддерживается в течение 0, 03–0, 05 с. Стадией послесвечения заканчивается структура одного грозового импульса. Во многих случаях разряд молнии является многократным, состоящим из ряда следующих друг за другом главных разрядов. После завершения стадии послесвечения первого импульса по его пути из облака к земле прорастает стреловидный лидер, который не имеет ступеней и движется непрерывно. За стреловидным лидером из земли в облако следует второй главный разряд, который затем переходит в дугу. Токи молнии повторных импульсов, как правило, ниже тока первого импульса. Причиной возникновения повторных разрядов являются внутренние разряды в грозовом облаке между нейтрализованной областью и соседними скоплениями зарядов. Многократный характер разряда молнии наблюдается как мерцание молнии. Суммарный заряд, переносимый молнией, лежит в пределах 20–100 Кл.
Параметры разряда молнии
Ток молнии. Для измерения амплитуды токов молнии применяется ферромагнитный регистратор, который представляет собой стержень, изготовленный из ферромагнитного материала с магнитной проницаемостью μ и имеющий прямоугольную петлю гистерезиса (рис. 1.14). Ферромагнитный регистратор устанавливается вблизи молниеотвода или на опорах ЛЭП. При протекании тока молнии Iм по молниеотводу вокруг него на расстоянии R возникает напряженность магнитного поля (рис. 1.15)
Максимальное значение магнитной индукции Bmax = μ μ 0Hmax намагнитит регистратор доостаточной индукции Br, где μ 0 = 4π 10-7Гн/м – магнитная постоянная.
Измерив в лаборатории с помощью магнитометра остаточную индукцию Br и учтя, что для прямоугольной петли гистерезиса Br » Bmax, по формуле (1.38) вычисляем ток молнии Iм.
С увеличением высоты местности кривые вероятностей токов молнии снижаются.
Крутизна фронта тока молнии. Волна тока молнии iм возрастает до амплитудного значения Iм за время τ ф (длительность фронта или длина фронта, измеренная по оси времени) и спадает до половинного значения за время τ в (длительность волны или длина волны, измеренная по оси времени). Важным параметром при расчете грозозащиты является крутизна фронта тока молнии, это отношение амплитуды тока молнии Iм к длительности фронта τ ф (рис. 1.17):
Крутизну фронта тока молнии измеряют также с помощью ферромагнитного регистратора, однако схема измерения другая (рис. 1.18). Вблизи молниеотвода располагают рамку с подключенной к ней катушкой L, в которую вставлен ферромагнитный регистратор. Молниеотвод и контур, образованный рамкой и катушкой, имеют между собой взаимоиндукцию М. Регистратор расположен параллельно молниеотводу, поэтому он намагничивается только от магнитного поля катушки и не намагничивается от магнитного поля с напряженностью H, возникающего вокруг молниеотвода.
Во время прохождения тока молнии iм через молниеотвод вокруг него возникает переменный магнитный поток, который пронизывает контур, наводя в нем ЭДС:
ЭДС вызывает протекание тока в рамке I = E/r, где r – сопротивление контура. Это формула справедлива при условии, что постоянная времени контура T = L/r должна быть много меньше длины фронта волны τ ф. В этом случае индуктивность не будет влиять на фронт волны, т. е. не будет его сглаживать. В лаборатории магнитометром измеряется остаточная индукция Br, которая примерно равна Bmax, по кривой гистерезиса Bmax = μ μ 0Hmax определяется Hmax. Затем по максимальной напряженности магнитного поля Hmax, которая была в катушке, рассчитывается ток в рамке I. По закону Ома вычисляется ЭДС E = Ir и далее определяется крутизна a = diм/dt = E/M. Взаимоиндукция М между молниеотводом и рамкой определяется геометрическими размерами и взаимным расположением. Вся цепочка вычислений выглядит следующим образом:
От крутизны фронта тока молнии зависит величина перенапряжений: чем больше крутизна, тем более высокие потенциалы наводятся на проводах ЛЭП. Вероятность крутизны фронта тока молнии. Массовые измерения крутизны фронта тока молнии позволили построить вероятность появления разряда молнии с крутизны фронта a (рис.1.19). Для средней климатической полосы России наиболее часты разряды молнии с крутизной фронта 20 кА/мкс, редко – 60 кА/мкс.
где S – сечение проводника, мм2; τ в – длина волны, мкс (см. рис. 1.17); k – коэффициент, для меди k = 300–330, для алюминия k = 200–230. Механическое воздействие возникает при ударах молнии в деревянные опоры ЛЭП, вода в древесине вскипает, испаряется, и опора разрушается. Полярность разряда. Полярность разряда измеряется с помощью клидонографа (рис. 1.20).
Рис. 1.20. Клидонограф и фигуры Лихтенберга
Между электродами игла – плоскость размещена стеклянная фотографическая пластина. Вся система помещена в светонепроницаемый футляр. Игла через делитель напряжения подключена к молниеприемнику. Во время удара молнии в молниеприемник, под воздействием напряжения в слое воздуха у иглы возникают ионизационные процессы, сопровождающиеся свечением. После проявления фотографической пластины выявляются характерные фигуры, так называемые фигуры Лихтенберга. Форма фигуры зависит от полярности. При положительной полярности иглы фигура Лихтенберга имеет разветвленное строение, так как положительные ионы отталкиваются от иглы, образуя стримеры, которые затухают по мере удаления от иглы. При отрицательном напряжении на игле фигура имеет вид звездочки, так как положительные ионы стягиваются к игле, тем самым экранируя ее отрицательный заряд, что мешает распространению стримеров от иглы. С увеличением напряжения увеличивается площадь фигуры из-за повышения интенсивности ионизации. При равных напряжениях площадь положительной фигуры будет больше. Напряжение на игле не должно быть более 20 кВ, в противном случае стеклянная пластина пробьется. Интенсивность грозовой деятельности. Интенсивность грозовой деятельности характеризуют числом грозовых дней в году nд либо числом грозовых часов в году nч. Число грозовых дней в году определяется по данным метеорологических станций. В настоящее время построена подробная карта грозовой деятельности на европейской части России. Число грозовых дней в году в средней полосе России – 20, в пустынях и в тундрах – 5, в южных районах – до 35, в тропических (некоторые районы Африки) – от 100 до 140. Средняя продолжительность грозы составляет 1, 5 часа. Продолжительность гроз в течение года определяет количество разрядов молнии в единицу поверхности земли. В России каждый квадратный километр поверхности поражается в среднем 2–3 раза в год. Грозы бывают тепловые и фронтальные. Фронтальные возникают при перемещении масс холодного и теплого воздуха вдоль поверхности земли (рис. 1.21), холодный воздух с севера подтекает под теплый воздух и вытесняет его. После таких гроз устанавливается холодная погода. В том случае, если теплый воздух движется с юга, он смещает холодный воздух на север, на фронте идут грозы. После грозы устанавливается теплая погода. Фронт гроз как при движении с севера на юг, так и с юга на север имеет значительную протяженность и перемещается на большие расстояния, т.е. фронтальные грозы охватывают значительные поверхности земли. В этот заключается их опасность.
Рис. 1.21. Фронтальная гроза
Тепловые грозы возникают при вертикальной конвекции теплого влажного воздуха. Такие грозы менее опасны, так как они локальны и для них характерны разряды между облаками, в то время как для фронтальных гроз характерны удары молнии в землю.
Молниеотводы
По условием термической устойчивости площадь поперечного сечения токоведущего спуска должна быть равна 25 мм2, однако из условий коррозионной стойкости токоведущий спуск делается площадью 50 мм2 из стальных проволок диаметром 8 мм. Применение стального многопроволочного троса по условиям коррозии не рекомендуется. Пространство вокруг молниеотвода, вероятность попадания молнии в которое маловероятно, называется зоной защиты. Зона защиты имеет форму шатра. Лидер молнии, спускаясь из грозового облака, не чувствует присутствия молниеотвода вплоть до высоты Н. Направление развития лидера устанавливается исключительно самим лидером. Однако, начиная с высоты Н, на направление развития лидера влияет неоднородность электрического поля, вызванная присутствием молниеотвода, и лидер молнии прорастает на молниеотвод. Высота Н называется высотой ориентировки молнии. Для молниеотводов высотой до 30 м высота ориентировки молнии H = kh, где h – высота молниеотвода; k – коэффициент пропорциональности, равный 20 для стержневых молниеотводов и 10 для тросовых. Для стержневых и тросовых молниеотводов высотой более 30 м высота ориентировки молнии равна соответственно 600 и 300 м. Стержневые молниеотводы . На рис. 1.23 изображен одиночный стержневой молниеотвод высотой h. Разряды молнии, которые проходят не далее чем на расстоянии R = 3, 5h, будут захвачены молниеотводом. Расстояние R называетсярадиусом зоны 100 %-го попадания молнии в молниеотвод.
Разряды молнии, которые проходят далее чем на расстоянии R ударят в землю, но не ближе r = 1, 6h. Расстояние r называетсярадиусом зоны защиты на уровне земли. На рис. 1.24 представлено упрощенное построение зоны защиты. На уровне земли откладываются расстояния 0, 75h и 1, 5h, от вершины молниеотвода вниз – расстояние 0, 2h. Точки соединяются прямыми линиями как показано на рис. 1.24. Обведенный контур есть зона защиты. В том случае, если два равновысоких молниеотвода находятся на расстоянии а = 2R = 7h, зоны 100 %-го попадания в молниеотвод на высоте ориентировки молнии соприкасаются (рис. 1.25), поэтому молния не может прорваться через защиту и ударить в землю.
Рис. 1.25. Соприкосновение зон 100 %-го попадания в молниеотвод на высоте ориентировки молнии H
При сравнивании рис. 1.24 и 1.25 видно, что два рядом стоящих молниеотвода имеют зону защиты большую, чем сумма зон защиты двух одиночных молниеотводов. В том случае, если нужно защитить точку, находящуюся посередине между молниеотводами на высоте h0, то должно выполняться соотношение a < 7(h – h0) (рис. 1.26). При известном расстоянии между молниеотводами (h – h0) = a/7.
Рис. 1.26. Зона защиты двух рядом стоящих стержневых молниеотводов
Построение зоны защиты для двух молниеотводов, имеющих разную высоту, показано на рис. 1.27. Сначала строится зона защиты более высокого молниеотвода h2, затем зона защиты меньшего молниеотвода h1 только с внешней стороны. Через вершину молниеотвода меньшей высоты проводится горизонтальная линия до пересечения с зоной защиты большего молниеотвода. Точке пересечения защищена, поэтому можно предположить, что здесь находится молниеотвод высотой h1 (фиктивный), далее между молниеотводами равной высоты строится зона защиты обычным образом.
Рис. 1.27. Зона защиты двух стержневых молниеотводов разной высоты
Отдельно стоящие молниеотводы высотой до 20 м выполняются из стальных труб, применение растяжек не допускается. Молниеотводы высотой более 20 м выполняются в виде решетчатых конструкций. В качестве несущих устройств могут использоваться конструкции защищаемых объектов. Тросовые молниеотводы. Тросовые молниеотводы применяются для защиты линий электропередачи. Зона защиты тросового молниеотвода показана на рис. 1.28. Она строится так же, как и для стержневого молниеотвода, с той лишь разницей, что ширина зоны 100 %-го попадания в молниеотвод на высоте ориентировки молнии H равна B = 2h, а ширина зоны защиты на уровне земли b = 1, 2 h.
Рис. 1.28. Зона защиты тросового молниеотвода
В электроустановках тросы используются в основном для защиты проводов ЛЭП. Разница высот между тросом и проводом составляет меньше 0, 2h, поэтому пользуются не зонами защиты, а углами защиты (рис. 1.29). Угол защиты тросового молниеотвода – это угол между вертикалью, проходящей через трос, и линией, проходящей через трос и провод. Оптимальный угол защиты 20–25º, при меньшем угле может оказаться незащищенным центральный провод.
= 3, 5·30 » 100 м. Площадь такого круга S = pR2 = 3, 14·1002 » 30 000 м2 » 0, 03 км2. Известно, что в средней климатической полосе России 1 км2 поверхности земли поражается разрядами молнии в среднем 2, 5 раза в год. Следовательно, 0, 03 км2 будет поражен 0, 075 раза в год, или один раз в 1/ 0, 075 = 13 лет. Таким образом, одиночный стержневой молниеотвод высотой 30 м будет поражаться один раз в 13 лет. Предположим, что подстанция защищена 10 молниеотводами, у которых зона защиты определена с вероятностью 0, 1 % (или 0, 001 в относительных единицах). Тогда будем иметь поражение одного из 10 молниеотводов один раз в 1, 3 года, при этом прорыв молнии произойдет в 0, 001 случаев, т. е. один раз 1, 3/0, 001 = 1300 лет. Следовательно, для стержневых молниеотводов необходимость уточнения вероятности, с которой определены зоны защиты, не возникает. Линии электропередачи из-за своей протяженности очень часто поражаются молниями. Каждые 100 км ЛЭП поражаются 15–20 раз в год в средней полосе России, поэтому для ЛЭП расчет вероятности защиты с помощью тросов приобретает важное значение. Вероятность Рα прорыва молнии через тросовую защиту определяется по формуле
где α – угол защиты; hоп – высота опоры. Рассчитаем две линии, имеющие одинаковые углы защиты в 45º. Высота первой опоры 16 м, второй – 36 м. Определим вероятность прорыва для двух случаев: 1. 2. Из примера видно, что с увеличением высоты опор необходимо уменьшать угол защиты с тем, чтобы вероятность прорыва молнии оставалась прежней. Стремление применить углы защиты меньше оптимальных 20–25º приводит к значительному утяжелению опор, так как меньшие углы можно получить, увеличивая горизонтальный разнос проводов или поднимая выше трос. Допустимое расстояние между молниеотводом и защищаемым объектом. Защищаемый объект должен полностью входить в зону защиты, вместе с тем он должен располагаться на определенном расстоянии от молниеотвода. Если это расстояние слишком мало, то при ударах молнии могут происходить перекрытия с частей молниеотвода на защищаемый объект. Разряд молнии, проходя по молниеотводу, создает падение напряжения на сопротивлении заземлителя и индуктивности токоотвода:
где Iм – амплитуда тока молнии; Rи – импульсное сопротивление заземлителя; L – индуктивность токоотвода; diм/dt – крутизна фронта тока молнии. Пусть молния с амплитудой 100 кА и крутизной фронта 50 кА/мкс ударила в молниеотвод высотой 20 м с удельной индуктивностью токоведущих спусков 1, 7 мкГн/м и сопротивлением заземлителя 10 Ом. Напряжение на молниеотводе U = 100 кА · 10 Ом + 1, 7 мкГн/м · 20 Ом ·50 кА/мкс = 1000 кВ+ + 1700 кВ = 2, 7 МВ. Расстояние от молниеотвода до объекта должно выбираться из условия: S > U/Eдоп, где Eдоп = 500 кВ/м для воздуха. Для предотвращения перекрытия от заземлителя на объект, расположенный в земле, расстояние должно быть вычислено по формуле: S > Iм Rи /Eдоп, где Eдоп = 300 кВ/м для земли. Заземлители Заземление – электрическое соединение защищаемого объекта с землей. Заземление подразделяется на рабочее, защитное и грозозащитное. Рабочее заземление, например заземление нейтрали трансформаторов, предназначено для обеспечения нормальной работы электроустановки. Защитное заземление, например заземление корпуса установки, который может оказаться под напряжением при коротком замыкании, предназначено для безопасного обслуживания электрических установок. Грозозащитное заземление служит для отвода тока молнии. Для реализации любого вида заземления требуется заземляющее устройство, состоящее из заземлителя, расположенного в земле, и заземляющего проводника, который соединяет заземляемый элемент установки с заземлителем (рис. 1.30).
Сопротивление вертикального заземлителя
где r – удельное объемное сопротивление грунта; L – длина электрода; d – диаметр электрода.
Сопротивление горизонтального заземлителя
где L – длина полосы; h – глубина укладки; b – ширина полосы. Заземлители, индуктивное сопротивление которых мало по отношению к активному сопротивлению, называются сосредоточенными. У протяженного заземлителя индуктивное сопротивление соизмеримо с активным сопротивлением. Название характеризует не длину, а соотношение активного и реактивного сопротивлений. При промышленной частоте все заземлители являются сосредоточенными. Индуктивность заземлителя начинает проявлять себя только при импульсах тока молнии. |
Последнее изменение этой страницы: 2017-05-04; Просмотров: 1085; Нарушение авторского права страницы
(1.29)
(1.30)
(1.31)
(1.32)
(1.33)
окончательно получим: 
или 
, (1.34)
(1.35)
(1.36)
, (1.37)
Структура распределения зарядов в грозовом облаке обычно имеет вид, представленный на рис. 1.8. Выше изотермы –10 º С, как показали исследования, сосредотачиваются положительно заряженные частицы, ниже – частицы, несущие отрицательный заряд. В том месте, где поток воздуха входит в облако, имеется местное скопление положительно заряженных частиц.
. (1.38)
Вероятность амплитуд тока молнии. Регистраторы устанавливаются в начале грозового сезона, а в конце снимаются, и по ним определяется ток молнии. Массовые измерения токов молнии позволили построить кривые вероятности амплитуд токов молнии. На рис. 1.16 представлена зависимость амплитуды тока молнии от вероятности ее появления для средней климатической полосы России. Наиболее часты токи молнии до 50 кА. Токи молнии 50–100 кА встречаются редко, а свыше 100 кА – очень редко и, следовательно, должны учитываться только при проектировании весьма ответственных объектов.
, кА/мкс. (1.39)
. (1.40)
.
Воздействие тока молнии. Грозовой разряд оказывает электромагнитное, тепловое и механическое воздействие. Электромагнитное воздействие проявляется в индуктировании напряжения на проводах вблизи места удара за счет большого и быстро изменяющегося тока молнии в стадии главного разряда. Эти напряжения могут достигать сотен киловольт.В месте удара молнии в провод ЛЭП происходит выделение тепла. Ток молнии, вызывающий нагревание проводника до температуры плавления или испарения, определяется по формуле
, (1.41)
Всякий молниеотвод (рис. 1.22) состоит из молниеприёмника, возвышающегося над защищаемым объектом, токоведущего спуска и заземлителя, расположенного в земле. Хорошее заземление молниеотвода является необходимым условием надежной защиты, так как при ударе молнии в плохо заземленный молниеотвод на нем возникает высокое напряжение, способное вызвать пробой с молниеотвода на защищаемый объект. Не меньшее значение имеет осуществление надежных электрических соединений между всеми частями молниеотвода, так как при прохождении тока молнии в местах плохих контактов возникает интенсивное искрение, которое может привести к пожару.
Вероятность прорыва молнии . Одиночный стержневой молниеотвод принимает на себя разряды молнии в окружности радиусом R = 3, 5h. При высоте молниеотвода h = 30 м, R = 3, 5h =
, (1.42)
; Pα = 0, 01, или 1 %; 
; Pα = 0, 1, или 10 %.
, (1.43)
Заземлитель принято характеризовать величиной его сопротивления, которое вычисляется как отношение падения напряжения на заземлителе к проходящему через него току. Сопротивление заземлителя зависит от его геометрических размеров и характеристик земли, в которой он находится. В качестве электродов заземлителя используются как вертикальные стержни длиной 2–3 м, так и горизонтальные полосы, уложенные на глубину 0, 5–0, 8 м (рис. 1.31).
, (1.44)
, (1.45)