Молния как источник перенапряжений

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ РФ

ТВЕРСКОЙ  ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ 
 
 

Кафедра электроснабжения и электротехники 

Р Е Ф  Е Р А Т

по дисциплине

«Электромагнитная совместимость»

на тему:

Молния  как источник перенапряжений 
 
 
 

Выполнил: студент … курса …

      группа  …

  шифр ….

  ……….

                                                                                             Проверил:  
 
 
 

Тверь - 2012

СОДЕРЖАНИЕ

Введение …………………………………………………………………………………..3

Глава 1. Молния: определение, параметры и  воздействие её тока ……………………4 

§1. Молния…………………………………………………………………………………4

§2. Основные параметры  молнии………………………………………………………..5

§3. Воздействие  молнии…………………………………………………………………..5

Глава 2. Защита от прямых ударов молнии ………………………….…………………7

§1. Средства защиты от прямых ударов молнии…………………….………………….7

§2. Зоны защиты молниеотводов………………………………………….……………..7

§3. Конструктивное выполнение молниеотводов………………………………………9

Глава 3. Защита линии электропередачи от молнии…………………………………..10

§1. Грозозащита  линий электропередач………………………………………………..10

§2. Применение тросов для защиты линии электропередачи………………………...11

§3. Трубчатые  разрядники и их применение для защиты линий……………………. 12

§4. Рекомендуемые способы грозозащиты линий …………………………………….13

Заключение……………………………………………………………………………….15

Список литературы……………………………………………………………………....16

ВВЕДЕНИЕ

     Молния - разновидность газового разряда  при очень большой длине искры. Общая длина канала молнии достигает  нескольких километров, причем значительная часть этого канала находится  внутри грозового облака.

     Для возникновения грозы необходимы, во-первых сильные восходящие потоки воздуха и, во-вторых, требуемая влажность воздуха в пределах грозовой зоны (эти закономерности были установлены еще М.В.Ломоносовым).

      Восходящие  потоки воздуха возникают вследствие нагрева прилегающих к поверхности  земли слоев воздуха и термически обусловленного теплообмена этих слоев  с охлажденным воздухом на большой  высоте.

      В облаке образуется несколько изолированных  друг от друга  скоплений зарядов (в нижней части облака скапливаются преимущественно заряды отрицательной полярности), молния бывает обычно многократной, т.е. состоит из нескольких единичных разрядов, развивающихся по одному и тому же пути.

     Цель  работы  - изучение молнии как источника  перенапряжений. Цель работы достигается  посредством поставленных задач:

• дать определение понятию «молния», рассмотреть основные параметры молнии и её воздействие;
• проанализировать защиту от прямых ударов молнии;
• рассмотреть вопрос защиты линии электропередачи от молнии.

     При изучении поставленной цели была использована литература следующих авторов: Л.И. Сиротинского¹, Д.В. Разевига², А.В. Михалкова³, В.Г. Басманова⁴.  В указанной литературе рассматриваются вопросы, связанные с изучением проблемы перенапряжения. 
 

Глава 1. Молния: определение, параметры и воздействие её тока  

§1. Молния 

     Молния  представляет собой разновидность  газового разряда при очень большой  длине искры. Общая длина канала молнии достигает нескольких километров, причем значительная часть этого канала находится внутри грозового облака. Из-за того, что в облаке образуется несколько изолированных друг от друга скоплений зарядов (в нижней части облака скапливаются преимущественно заряды отрицательной полярности), молния бывает многократной, т.е. состоит из нескольких единичных разрядов, развивающихся по одному и тому же пути, причем каждый разряд начинается лидерным и завершается обратным (главным) разрядом.

     Канал лидера, как и канал стримера, заполнен плазмой, следовательно, обладает определенной проводимостью. Верхним концом лидерный канал соединен с одним из заряженных центров в облаке, поэтому часть зарядов этого центра стекает в канал лидера.

     По  мере продвижения канала лидера под  действием создаваемого им электрического поля в земле происходит смещение зарядов, причем заряды, противоположные по знаку зарядам лидера (обычно положительные заряды), стремятся расположиться как можно ближе к головке лидерного канала. В случае однородного грунта эти заряды скапливаются непосредственно под лидерным каналом. Если грунт неоднородный и основная его часть обладает большим удельным сопротивлением, заряды сосредоточиваются в участках с повышенной проводимостью (реки, грунтовые воды). При наличии заземленных возвышающихся объектов (молниеотводы, дымовые трубы, высокие здания, смоченные дождем деревья) заряды стягиваются к вершине объекта, создавая там значительную напряженность поля.

     На  первых стадиях развития лидерного  канала напряженность электрического поля на его головке определяется собственными зарядами лидера и находящимися под облаком скоплениями объемных зарядов. Траектория движения лидера не связана с земными объектами. По мере опускания лидера все большее влияние начинают оказывать скопления зарядов на земле и возвышающихся объектах. Начиная с определенной высоты головки лидера (высота ориентировки), напряженность поля по одному из направлений оказывается наибольшей, и происходит ориентирование лидера на один из наземных объектов. При этом преимущественно поражаются возвышающиеся объекты и участки земли с повышенной проводимостью (избирательная поражаемость). С очень высоких объектов навстречу лидеру развиваются встречные лидеры, которые способствуют ориентированию молнии на данный объект.

     После того, как канал лидера достигнет земли или встречного лидера, начинается обратный разряд - быстрая нейтрализация зарядов лидера, сопровождающаяся ярким свечением и нарастанием тока до пиковых значений, варьирующихся от единиц до сотен килоампер. При этом происходит интенсивный разогрев канала (до десятков тысяч кельвин) и его ударное расширение, воспринимаемое на слух как раскат грома. На головке развивающегося вверх обратного разряда имеется область повышенной напряженности электрического поля, под действием которой происходит перестройка канала, сопровождающаяся увеличением плотности зарядов плазмы от 10¹³ - 10¹⁴ до 10¹⁵ - 10¹⁶ 1/м³ , благодаря чему проводимость канала увеличивается. Во время развития обратного разряда через место удара проходит ток i_м=σV, где V - скорость обратного разряда.  

§2. Основные параметры  молнии

     Основной  количественной характеристикой молнии является ток, протекающий через пораженный объект, который характеризуется максимальным значением I_м, средней крутизной фронта a=(di_м/dt)_ср и длительностью импульса τ_и, которая равна времени уменьшения тока до половины максимального значения.

     Интенсивность грозовой деятельности характеризуется  числом грозовых дней в году или  общей годовой продолжительностью гроз в часах, которая более правильная, так как число ударов молнии в землю зависит не от числа гроз, а от их общей продолжительности.

     Число грозовых дней или число часов  в году определяется на основании  многолетних наблюдений метеорологических  станций, обобщение которых позволяет составить карты грозовой деятельности, на которые наносятся линии равной продолжительности гроз – изокеранические линии.  

§3. Воздействие молнии

     Воздействия молнии принято подразделять на две  основные группы: первичные, вызванные прямым ударом молнии, и вторичные, индуцированные близкими ее разрядами или занесенные в объект протяженными металлическими коммуникациями. Опасность прямого удара и вторичных воздействий молнии для зданий и сооружений и находящихся в них людей или животных определяется, с одной стороны, параметрами разряда молнии, а с другой - технологическими и конструктивными характеристиками объекта (наличием взрыво- или пожароопасных зон, огнестойкостью строительных конструкций, видом вводимых коммуникаций, их расположением внутри объекта и т.д.).

     Прямой  удар молнии вызывает следующие воздействия  на объект:

• электрические, связанные с поражением людей или животных электрическим током и появлением перенапряжений на пораженных элементах. Перенапряжение пропорционально амплитуде и крутизне тока молнии, индуктивности конструкций и сопротивлению заземлителей, по которым ток молнии отводится в землю. Даже при выполнении молниезащиты прямые удары молнии с большими токами и крутизной могут привести к перенапряжениям в несколько мегавольт. При отсутствии молниезащиты пути растекания тока молнии неконтролируемы и ее удар может создать опасность поражения током, опасные напряжения шага и прикосновения, перекрытия на другие объекты;
• термические, связанные с резким выделением теплоты при прямом контакте канала молнии с содержимым объекта и при протекании через объект тока молнии. Выделяемая в канале молнии энергия определяется переносимым зарядом, длительностью вспышки и амплитудой тока молнии; в 95% случаев разрядов молнии эта энергия (в расчете на сопротивление 1 Ом) превышает 5,5 Дж, она на два - три порядка превышает минимальную энергию воспламенения большинства газо-, паро- и пылевоздушных смесей, используемых в промышленности. Следовательно, в таких средах контакт с каналом молнии всегда создает опасность воспламенения (а в некоторых случаях взрыва), то же относится к случаям проплавления каналом молнии корпусов взрывоопасных наружных установок. При протекании тока молнии по тонким проводникам создается опасность их расплавления и разрыва;
• механические, обусловленные ударной волной, распространяющейся от канала молнии, и электродинамическими силами, действующими на проводники с токами молнии. Это воздействие может быть причиной, например, сплющивания тонких металлических трубок. Контакт с каналом молнии может вызвать резкое паро- или газообразование в некоторых материалах с последующим механическим разрушением, например расщеплением древесины или образованием трещин в бетоне.

     Вторичные проявления молнии связаны с действием  на объект электромагнитного поля близких  разрядов. Обычно это поле рассматривают в виде двух составляющих: первая обусловлена перемещением зарядов в лидере и канале молнии, вторая - изменением тока молнии во времени. Эти составляющие иногда называют электростатической и электромагнитной индукцией.

     Электростатическая  индукция проявляется в виде перенапряжения, возникающего на металлических конструкциях объекта и зависящего от тока молнии, расстояния до места удара и сопротивления заземлителя. При отсутствии надлежащего заземлителя перенапряжение может достигать сотен киловольт и создавать опасность поражения людей и перекрытий между разными частями объекта.

     Электромагнитная  индукция связана с образованием в металлических контурах ЭДС, пропорциональной крутизне тока молнии и площади, охватываемой контуром. Протяженные коммуникации в современных производственных зданиях могут образовывать охватывающие большую площадь контуры, в которых возможно наведение ЭДС в несколько десятков киловольт. В местах сближения протяженных металлических конструкций, в разрывах незамкнутых контуров создается опасность перекрытий и искрений с возможным рассеянием энергии около десятых долей джоуля.

     Еще одним видом опасного воздействия  молнии является занос высокого потенциала по вводимым в объект коммуникациям (проводам воздушных линий электропередачи, кабелям, трубопроводам). Он представляет собой перенапряжение, возникающее на коммуникации при прямых и близких ударах молнии и распространяющееся в виде набегающей на объект волны. Опасность создается за счет возможных перекрытий с коммуникации на заземленные части объекта. Подземные коммуникации также представляют опасность, так как могут принять на себя часть растекающихся в земле токов молнии и занести их в объект.

Глава 2. Защита от прямых ударов молнии  

§1. Средства защиты от прямых ударов молнии

     Молниеотводы  как средство защиты от прямых ударов молнии применялись задолго до начала нашей эры, но получили всеобщее признание только в середине XVIII века в результате работ Ломоносова и Франклина.

     Назначение  молниеотводов — воспринять подавляющее число ударов молнии в пределах защищаемой территории и отвести ток молнии в землю.

     Каждый  молниеотвод состоит из молниеприемника, возвышающегося над защищаемым объектом, заземлителя и токоотвода, соединяющего молниеприемник с заземлителем. По типу молниеприемников различают стержневые и тросовые молниеотводы. Стержневые молниеотводы выполняются в виде вертикально установленных стержней (мачт), соединенных с заземлителем, а тросовые — в виде горизонтально подвешенных тросов. Металлический стержневой молниеотвод или опора одновременно выполняют функции токоотвода. Если же молниеприемник молниеотвода (стержень, трос) расположен на изолирующих опорах (дымовые трубы, деревянные опоры), то по ним прокладываются тросы, соединяющие молниеприемник с заземлителем.

     Защитное  действие молниеотводов основано на явлении избирательной поражаемости молнией высоких объектов. Высота над поверхностью земли, при которой лидер начинает ориентироваться по направлению к наиболее высокому наземному объекту, называется высотой ориентировки молнии (Н). Если головка лидера на высоте ориентировки находится в точке, расположенной над молниеотводом, то разряд поразит молниеотвод. По мере удаления точки ориентировки от молниеотвода повышается вероятность удара молнии в землю, а при достаточном удалении точки ориентировки от молниеотвода разряды будут поражать в основном землю.

     Если  вблизи молниеотвода поместить более  низкий по высоте защищаемый объект, то при определенном расстоянии между молниеотводом и объектом разрядное напряжение промежутка лидер молнии — объект будет всегда больше разрядных напряжений промежутков лидер молнии — молниеотвод и лидер — земля. Объект будет защищен от прямого удара молнии.

     Необходимым условием надежной защиты является хорошее  заземление молниеотвода, так как при ударе молнии в плохо заземленный молниеотвод на нем создается весьма высокое напряжение, способное вызвать пробой с молниеотвода на защищаемый объект.  

§2. Зоны защиты молниеотводов

     Зоной защиты принято называть определенное пространство вокруг молниеотвода: удары молнии в объект, полностью расположенный в этом пространстве, маловероятны. Поскольку разрядные напряжения длинных воздушных промежутков имеют значительные статистические разбросы, молниеотводы обеспечивают защиту объекта лишь с некоторой, но достаточно высокой степенью надежности (до 0,999). Зоны защиты молниеотводов определяются опытным путем на моделях. При этом принимается, что зоны защиты реальных молниеотводов геометрически подобны зонам, полученным для лабораторных моделей. В качестве «модели» молнии используется импульсный искровой разряд, который в длинных промежутках имеет две основные стадии развития — лидерную и главную - и обладает, таким образом, качественным сходством с молнией.

     Справедливость  принятой методики определения зон  защиты не может быть строго доказана, поэтому полученные в лаборатории зоны защиты имеют до некоторой степени условный характер. Однако надежность разработанных на основе лабораторных экспериментов рекомендаций подтверждена многолетним опытом эксплуатации молниеотводов, и это дает возможность с уверенностью пользоваться этими рекомендациями.

Определение радиуса зоны защиты на высоте h_x производится с помощью стержня высотой h_x, имитирующего защищаемый объект. Верхний электрод, модель молниеотвода и модель объекта находятся в одной плоскости и перемещаются относительно друг друга. При каждом взаимном расположении электродов производится определенное число разрядов. В результате находится максимальное расстояние r_x между объектом и молниеотводом, при котором объект не поражается разрядами. Это расстояние r_x является радиусом зоны защиты молниеотводов на высоте h_x.

     Чем больше разрядов производится при каждом расположении электродов, тем с большей надежностью определяется радиус зоны защиты и тем меньше вероятность поражения объекта, расположенного в зоне защиты молниеотвода.

     Аналогично  производится определение зон защиты систем стержневых молниеотводов и  тросовых молниеотводов.

     Зоны  защиты стержневых молниеотводов. Зона защиты одиночного стержневого молниеотвода представляет собой пространство вблизи молниеотвода, ограниченное поверхностью вращения в виде «шатра», превышение высоты молниеотвода над высотой защищаемого объекта называется активной высотой молниеотвода (h — h_x =h_а).

     Зона  защиты двух стержневых молниеотводов  имеет значительно большие размеры, чем сумма зон защиты двух одиночных молниеотводов. Выше отмечалось, что при R = 3,5h все разряды попадают в молниеотвод (R называется радиусом зоны 100%-ного попадания). Очевидно, что если два молниеотвода находятся на расстоянии а=2R =7h, то точка поверхности, лежащая посередине между молниеотводами, не будет поражаться молнией.

Если  нужно защитить точку, находящуюся посередине между молниеотводами высотой h на высоте h_о, то расстояние между молниеотводами на высоте h_o должно составлять а<7р(h— h_о). Если известны высота и расстояние между молниеотводами, то высота защищенной точки посередине между молниеотводами находится как

h_о= h-a/7p.

Внутренняя  часть зоны защиты двух стержневых молниеотводов  в плоскости, проходящей через оба молниеотвода, ограничивается дугой окружности, которую можно построить по трем точкам: две из них - вершины молниеотводов, а третья расположена посередине между молниеотводами на высоте h_o. Внешняя часть зоны защиты строится так же, как и для одиночных стержневых молниеотводов.