Дистанционные воздействия молнии. Молниезащита жилых и общественных зданий - ответы на частые вопросы при проектировании.

Дистанционные воздействия молнии

Из цикла статей "Молниезащита жилых и общественных зданий - ответы на частые вопросы при проектировании".

Подавляющее число таких воздействий определяется влиянием электромагнитного поля молнии либо на провода линии электропередачи, питающей защищаемое здание, либо на электрические коммуникации в его внутреннем объёме. С позиций оценки опасных электромагнитных воздействий тип линии имеет принципиальное значение. В районе современной городской застройки энергоснабжение жилых зданий, как правило, производится по подземному экранированному кабелю от ближайшей подстанции. Уровень возбуждаемых наводок здесь минимален. Часто он просто не принимается во внимание из-за весьма малой вероятности опасного воздействия. Сколько-нибудь значимая наводка возбудится лишь в том случае, если ток молнии практически целиком попадет в оболочку подземного кабеля. В местах коттеджной и загородной застройки предпочтительно используются воздушные лини 380/220 В. К сожалению, лишь недавно в России стали применять изолированные провода (СИП), мало отличающиеся по межфазным расстояниям от традиционных подземных кабелей. Площадь контура между проводами, пронизываемого магнитным полем молнии, здесь очень невелика, соответственно невелика и наведенная ЭДС магнитной индукции. Реальную опасность представляет только прямой удар молнии в такую линию.

К сожалению, большинство воздушных линий 380/220 В все еще эксплуатируется в традиционном исполнении с голыми проводами. Расстояние между ними может составлять d = 0,3- 0,5 м. Если учесть, что длина линии l_ВЛ от защищаемого здания до питающей его подстанции может достигать несколько сотен метров, контур, пронизываемый магнитным полем молнии, s = l_ВЛd исчисляется десятками квадратных метров. Отсюда очень серьёзное индуцированное напряжение U_ЭМ даже от относительно далеких молний со среднем расстоянием r от линии (рис. 1)

Рисунок 1

Элементарную приближенную оценку наведённого напряжения можно провести по формуле (1).

(1)

где μ₀ = 4π×10^-7 Гн/м – магнитная проницаемость вакуума, а A_I = dI_M/dt - скорость роста тока молнии на фронте импульса.

Параметры тока молнии, в т.ч. и скорость его роста, варьируют случайным образом в пределах почти 2-х порядков величины. Максимальное значение этого параметра в нормативе СО-153-34.21.122-2003 принято равным 2×10¹¹ А/м. В задаче оценки усредненного значения числа опасных воздействий молний использование столь большой величины привело бы к неоправданному завышению результата. Воспользуемся поэтому существенно меньшей, но существенно более вероятной величиной 4×10¹⁰ А/м. Её подстановка в формулу для участка линии длиной 200 м (среднее расстояние от дома до трансформаторной подстанции) даёт возможность определить, что напряжение U_ЭМ = 2500 В, безусловно опасное для внутренней электрической сети дома, усреднённая по силе молния возбудит на усредненном расстоянии от линии r ≈ 170 м (предполагалось, что расстояние между проводами линии d = 0,4 м).

Вывод в некоторой степени неожиданный - для индивидуальных строений относительно небольшой высоты и площади, питающихся по воздушной линии (ВЛ) обычного исполнения с голыми проводами, наиболее вероятную опасность представляет не прямой удар молнии, а индуцированные перенапряжения, наводимые в этой линии.

Из формулы (1) следует наиболее эффективный путь ограничения индуцированных перенапряжений. Для этого достаточно резко сократить расстояние d между проводами, что и реализовано на линиях с проводами СИП. Их применение снижает индуцированные перенапряжения от тока молнии в 10 – 20 раз, делая их практически безопасными. Фактически опасность молнии связана здесь только с её прямым ударом в линию. При высоте проводов на опорах ВЛ h_ВЛ площадь стягивания молний на длине l_ВЛ (с учётом двух её полос) в среднем равна:

S_ВЛ= 6h_ВЛl_ВЛ (2)

Если, как и прежде, l_ВЛ = 200 м, а h_ВЛ ≈ 6 м, получаем площадь стягивания молний S_ВЛ ≈ 7200 м² = 0,0072 км² – почти в 10 раз меньше, чем при оценке опасных наводок для воздушной линии обычного исполнения (с неизолированными проводами).

Таким образом, применение ВЛ с СИП следует считать эффективным средством борьбы с грозовыми перенапряжениями на ВЛ 380/220 В.

Два принципиальных замечания:

1. Опасность грозовых перенапряжений будет принципиально снижена, если строение присоединено к подстанции по ВЛ с СИП по всей длине. Часто рекомендуемый кабельный ввод в дом длиной в несколько десятков метров от ближайшей опоры обычной ВЛ особого значения не имеет. На величине наводимых перенапряжений эта операция сказывается мало и скорее выполняет декоративную функцию.

2. Применение СИП, ограничивая индуцированные грозовые перенапряжения, не исключает перенапряжений от прямого удара молнии в ВЛ. Последние по частоте воздействий не отличаются принципиально от прямого удара молнии в дом, а потому их нельзя сбрасывать со счета.

Особенности дистанционных воздействий молнии на крупногабаритные многоэтажные сооружения

Электроснабжение многоэтажных зданий, как правило, осуществляется по кабельным подземным линиям. Возбуждение в них индуцированные перенапряжений от сколько-нибудь удаленных разрядов молнии маловероятно. Реальным источником перенапряжений здесь нужно считать ток молний, растекающийся по металлоконструкциям здания, в т.ч. по его токоотводам. Во внимание также должны быть приняты перенапряжения, индуцированные в фазных проводах ВЛ высокого напряжения, питающей подстанцию. Они могут проникать на низкую сторону трансформатора через ёмкостные связи между трансформаторными обмотками. Однако реально этот путь перекрывают защитные средства, установленные непосредственно на подстанции. Специалистам по внешней молниезащите не приходится иметь с ними дело.

Задача о частоте опасных воздействий на многоэтажное здание сводится, таким образом, к оценке числа прямых ударов молнии. Выше уже было показано, что для жилых и офисных зданий, занимаемая площадь которых на поверхности земли относительно невелика (это верно с очень немногими исключениями), определяющее значение имеет высота. В пределе ожидаемое число ударов пропорционально квадрату высоты здания. Вот почему для высотных сооружений ожидаемое число прямых ударов молнии исчисляется единицами и даже десятками за грозовой сезон. Элементарную оценку легко сделать по выражению (строго оно справедливо для башен с малой площадью основания):

N_M = 9πn_Mh² , (3)

Э. М. Базелян, д.т.н., профессор
Энергетический институт имени Г.М. Кржижановского, г. Москва

Читайте далее "Что надо защищать от прямого удара молнии".

Полезные материалы:

Смотрите также: