Меню

Кривые вероятности токов молнии



Кривые вероятности токов молнии

В настоящее время в России нет нормативно-технической документации по защите от вторичных проявлений молниевых разрядов. В существующих документах описываются только методы построения зон молниезащиты тех или иных объектов.
Между тем, как считают наши московские авторы, решение вопроса защиты должно начинаться с определения степени опасности молниевого разряда для того или иного объекта.

ВЫБОР ПАРАМЕТРОВ ИМПУЛЬСА МОЛНИИ
для защиты микропроцессорной аппаратуры и ее цепей

Михаил Матвеев, к.ф.-м.н.,
Михаил Кузнецов, к.ф.-м.н.,
Иван Дутов,
Дмитрий Осьмушкин,
Руслан Мамлеев,
ООО «ЭЗОП», г. Москва

Опасность повреждения чувствительной аппаратуры и ее цепей зависит от многих факторов, один из которых – параметры молниевого импульса [1, 2]. Очевидно, что чем выше ток молнии, тем больше опасность. Аналогично можно сказать и о крутизне фронта молниевого импульса: чем она выше, тем больше могут быть разности потенциалов, возникающие между различными точками объекта (при равных амплитудах тока), и соответственно тем выше опасность.

В этом случае необходимо определить, какие параметры молниевого импульса (в первую очередь амплитуду и крутизну фронта) следует принимать в расчетах. Однако в российских документах возможность варьировать параметры молниевого импульса либо вовсе не упоминается, либо рассматривается недостаточно. Так, в [1] приводится только 3 возможных набора параметров молниевого импульса (токи 200, 150 и 100 кА). В международных стандартах [2] приведены данные по вероятностям молнии, однако для выбора предоставлены те же три набора со значениями токов 200, 150 и 100 кА. Это приводит к тому, что, например, для объектов электроэнергетики используется только один набор параметров c током 100 кА.

Нам представляется, что такая ситуация может привести к необоснованным затратам на обеспечение защиты от вторичных проявлений молниевых разрядов.

Рассмотрим пример. Для небольшого здания, расположенного в центре города (например ПС на основе КРУЭ), опасность будет минимальна, поскольку разряд молнии в такой объект будет редким событием – один удар в 30 лет. Вероятность молниевого разряда для так называемой отрицательной молнии с током 100 кА и выше, согласно [2], составляет менее 3,5%. Это означает, что разряд с током более 100 кА возможен 1 раз в

850 лет. Естественно, что, выбирая в этом случае для расчета ток молнии 100 кА, мы построим систему защиты от вторичных проявлений молнии с совершенно ненужным огромным запасом.

С другой стороны, для ПС 500 кВ с несколькими ОРУ вероятность поражения молнией будет значительно выше (несколько ударов молнии в год), соответственно возрастает и опасность. За срок службы такого объекта в его систему молниезащиты возможен по крайней мере один разряд молнии с током 135 кА. В этом случае использование в расчетах тока 100 кА будет, наоборот, приводить к необоснованному уменьшению надежности системы защиты от проявлений молниевых разрядов.

Таким образом, при проектировании систем молниезащиты и защиты от вторичных проявлений молниевых разрядов необходимо иметь методику выбора параметров молнии, позволяющую обеспечивать необходимую надежность защиты и страховку от необоснованного удорожания таких систем. Ниже будет рассмотрен возможный метод.

ПАРАМЕТРЫ МОЛНИЕВОГО РАЗРЯДА

При рассмотрении проблемы опасности влияния молниевых разрядов на чувствительную аппаратуру и ее вторичные цепи следует понимать, какие именно параметры импульса молнии будут представлять наибольшую опасность. В [1] рассматриваются три типа импульса тока, протекающего при ударе молнии: первый, последующие и длительный. Форма первого и последующего импульсов тока описывается следующей формулой:

где I – максимум тока; h – коэффициент, корректирующий значение максимума тока; t – время; τ 1 – постоянная времени для фронта; τ 2 – постоянная времени для спада.

На рис. 1 графически представлен вид импульса молнии и его основные параметры [2]. Длительный импульс принимается прямоугольным со средним током I и длительностью Т . Согласно [1], импульсы тока молнии характеризуются следующим набором параметров:

  • максимум тока I , кА;
  • длительность фронта T 1 , мкс;
  • время полуспада T 2 , мкс;
  • средняя крутизна а, кА/мкс;
  • заряд в импульсе Q, Кл;
  • длительность Т , с (для длинного импульса).

По условиям защиты вторичных цепей и аппаратуры от вторичных проявлений молниевых разрядов, важными параметрами являются только ток молнии и длительность фронта. Следует отметить, что средняя крутизна фронта напрямую связана с длительностью фронта и возможно рассмотрение либо крутизны фронта, либо его длительности.

Рис. 1. Параметры формы импульса согласно [2].
Здесь di/dt0,1/0,9 – тангенс угла наклона отрезка, проведенного между отметками 10 и 90% от величины пикового тока (отражает скорость нарастания/крутизну фронта)

Крупнее

МЕТОДИКА ВЫБОРА ВЕЛИЧИНЫ ТОКА МОЛНИИ

Согласно [1], величина тока молнии варьируется только в зависимости от уровня защиты объекта, что, как указывалось выше, не совсем корректно. Для более точной оценки опасности со стороны молниевых разрядов для микропроцессорной аппаратуры и вторичных цепей необходимо производить варьирование величины тока молнии в зависимости не только от уровня защиты объекта, но и от других условий объекта (размеров, климатических условий и т.п).

Предлагаемый метод позволяет, по нашему мнению, осуществлять более гибкий подход по выбору тока молнии.

Сначала, согласно [2], определяется количество грозовых разрядов в объект. Затем вычисляется так называемая площадь сбора молниевых разрядов, которая зависит только от геометрических параметров объекта (формулы для расчета приводятся в [2] и [3]). Так, чем объект выше и чем больше его площадь, тем больше молниевых разрядов может происходить в него за определенное время. После этого определяется ожидаемое количество ударов молнии в защищаемую территорию за год. Зная срок службы объекта до полной реконструкции, легко определить среднее число ударов в объект N ударов .

Теперь, основываясь на рассчитанных значениях, можно определить максимальную (как для положительных, так и для отрицательных импульсов) наиболее вероятную величину тока молнии, исходя из данных, представленных в [2] (рис. 2). Она будет соответствовать значению вероятности p = 1 / ( N ударов + 1). При этом отдельно определяется вероятность для положительно и отрицательно заряженных молний. Следует отметить, что таким же способом можно определить и другие максимальные наиболее вероятные параметры молнии для того или иного объекта.

Рис. 2. Параметры молниевых разрядов, приведенные в МЭК-62305-3

Крупнее

Из представленных кривых нас интересуют № 1А и 1B (вероятность возникновения молнии с отрицательным током), № 3 (вероятность возникновения молнии с положительным током), № 12 (di/dt0,1/0,9 – скорость нарастания фронта тока молнии, несущей отрицательный заряд), № 14 (di/dt0,1/0,9 – скорость нарастания фронта тока молнии, несущей положительный заряд).

Величина тока молнии, рассчитанная по данному методу, позволяет более точно оценить максимальные разности потенциалов, воздействующие на оборудование объекта при ударе молнии в элементы системы молниезащиты. Это в свою очередь позволяет оптимально организовать защиту оборудования как с точки зрения безопасности, так и по условиям минимизации экономических затрат.

НЕДОСТАТКИ МЕТОДА

Следует отметить, что в рамках описанного метода расчет временных параметров импульса не производится и они принимаются согласно [1] и [2], т.е. 10/350 мкс. Именно это и является существенным недостатком, который особенно сильно сказывается при расчетах, выполняемых для объектов электроэнергетики, так как на таких объектах, как правило, присутствуют протяженные заземлители, обладающие высокой реактивной составляющей сопротивления. Для этих случаев максимальный уровень помехи во вторичных цепях в первую очередь будет определяться скоростью нарастания фронта (рис. 3).

Рис. 3. Вид фронтальной части импульса молнии (красная линия) и помехи (синяя линия) во вторичных цепях в условиях протяженных заземлителей

Крупнее

Обратное можно сказать про объекты, где элементы системы молниезащиты имеют обособленное заземление (например, газокомпрессорные станции) и, как следствие, небольшую реактивную составляющую. Для таких молниеприемников форма импульса тока молнии, как правило, повторяет форму импульса напряжения (рис. 4).

Рис. 4. Вид фронтальной части импульса молнии (красная линия) и помехи (синяя линия) во вторичных цепях в условиях непротяженных заземлителей

Крупнее

Для оценки влияния скорости нарастания тока молнии на уровень помехи во вторичных цепях были проведены расчеты для случая большого количества протяженных заземлителей, имеющих форму сетки с шагом 10х10 м. Разность потенциалов измерялась между узлом заземляющего устройства вблизи молниеприемника и удаленной от молниеприемника точкой заземляющего устройства. В расчетах использовались различные значения крутизны нарастания фронта (12, 25 и 50 кА/мкс) и тока молнии (от 10 до 150 кА). Результаты представлены на рис. 5.

Рис. 5. Результаты расчетов разностей потенциалов, возникающих при ударах молний с различными скоростями нарастания тока

Крупнее

Скорость нарастания тока молнии значительно влияет на разность потенциалов между различными точками заземляющего устройства. Так, например, при токе молнии 100 кА увеличение крутизны импульса в 4 раза приводит к увеличению разности потенциалов в 2 раза. Здесь следует заметить, что это справедливо только для рассматриваемого в расчете объекта. Для объектов с другой конфигурацией заземлителей указанные соотношения могут быть иными.

Таким образом, для организации эффективной и оптимальной защиты оборудования объекта от воздействий, возникающих при ударах молний в элементы системы молниезащиты, необходимо производить расчет не только величины тока молнии, но и временных параметров токового импульса (величины di/dt). Однако вероятностные зависимости, приведенные в [2] для di/dt и I, не связаны между собой. Для примера, согласно [2] амплитуда половины отрицательно заряженных молний не будет превышать 33,3 кА (1А и 1В, рис. 1), при этом параметр di/dt (для этой выборки) может принимать различные значения (12, рис. 1). С другой стороны, параметр di/dt половины отрицательно заряженных молний не будет превышать 24,3 кА/мкс, при этом амплитуда (для этой выборки) также может принимать различные значения. Значит, количество молний, имеющих параметры фронта и амплитуду, равную 33,3 кА, и di/dt, равный 24,3 кА/мкс, окажется намного меньше половины. Это говорит о том, что в [2] нет прямой связи между di/dt и I , хотя эти параметры должны быть напрямую связаны.

Читайте также:  Коврик бьющий током для кошек

Таким образом, выбирая независимо оба параметра ( I и di/dt) в соответствии с определенной вероятностью, мы можем необоснованно одновременно завысить ток и скорость нарастания фронта, что приведет к значительному увеличению рассчитанных величин разностей потенциалов, воздействующих на защищаемое оборудование. Поэтому отсутствие связи между вероятностными зависимостями параметров I и di/dt может привести к дополнительным затратам при организации защиты вторичных цепей и аппаратуры. Однако если информация о связи между указанными параметрами появится, то возникнет и возможность однозначно выбирать худшие по условиям воздействия на защищаемую аппаратуру параметры молнии.

В отсутствие указанной статистической информации представляется оптимальным использование метода выбора параметра только по току молнии при фиксированном среднем di/dt или, что выглядит предпочтительнее, при фиксированном времени возрастания импульса тока (т.е. при фиксированной форме импульса с параметрами 10/350 мкс).

ВЫБОР ПАРАМЕТРОВ МОЛНИЕВОГО РАЗРЯДА

Для определения рассматриваемых параметров импульса молнии можно воспользоваться, например, вероятностными зависимостями, приведенными в [2]. В качестве основы для этого документа взяты измерения Бергера [4] и Андерсена [5]. В [2] для вероятности одного и того же события можно выбрать два различных тока. Один – для нисходящей молнии, несущей положительный заряд, другой – для нисходящей молнии, несущей отрицательный заряд.

При этом в [2] нет прямого указания, величину какого из токов выбирать в качестве расчетной или же необходимо использовать оба значения. В документе, кроме того, приводятся величины производной di/dt, которые также могут быть использованы для расчетов. Как было сказано выше, для объектов электроэнергетики именно она и будет определять максимальное электромагнитное воздействие на вторичные цепи (из-за наличия существенной реактивной составляющей сопротивления). Однако таких значений снова оказывается два: одно для молниевых разрядов с положительным зарядом, другое для молниевых разрядов с отрицательным зарядом.

Нельзя не учитывать положительно заряженные молнии и выбирать для расчетов статистику только отрицательно заряженных молний, ссылаясь на текст МЭК и [1] о том, что только 10% молниевых разрядов имеют положительный заряд.

Необходимость учета молний обеих полярностей легко видеть на следующем примере. В объект размером 100х100 м (площадь сбора зарядов ≈ 80000 м 2 ), расположенный в зоне с грозовой активностью 40–60 часов в год, за 30 лет произойдет примерно 10 ударов молнии. Тогда хотя бы одна из молний будет иметь положительный заряд. Это означает, что нельзя отбросить вариант возникновения молний с положительным зарядом.

Но даже решив учитывать обе полярности, невозможно получить четкое представление о том, каково соотношение положительно и отрицательно заряженных молний в том или ином регионе земного шара. В [2] принята некоторая усредненная цифра (1 к 9) соотношения положительных и отрицательных молний, которая не учитывает географических и климатических особенностей расположения объекта. Известно, что плотность нисходящих молниевых разрядов на землю может существенно различаться по регионам земного шара и зависит от геологических, климатических факторов. Это значение увеличивается от полюсов к экватору, но равно нулю в пустынях. Например, в США [6] на западном побережье более 20% от общего числа молний положительно заряжены, на восточном – менее 4–6%, а в Японии – до 20–40%. Отметим, что согласно [1]: «В отсутствие местных данных принимают это соотношение равным 10% для разрядов с положительными токами и 90% для разрядов с отрицательными токами». Поэтому для России приходится использовать именно такое соотношение.

Таким образом, при расчете величины тока молнии исходя из данных [1] и [2], мы обязаны учитывать молниевые разряды обеих полярностей. Однако, как это сделать, из указанных документов пока не ясно. Авторы [2] сделали попытку учесть обе полярности именно путем принятия единой формы импульса с фиксированным временем нарастания. Это удобно, поскольку позволяет варьировать только один параметр (величину тока молнии), что и сделано в описанном выше методе определения максимального тока молнии для конкретного объекта. С другой стороны, как показали расчеты в большинстве случаев, импульсы положительной полярности менее опасны, чем импульсы отрицательной полярности. Опасность импульсов положительной полярности следует учитывать только в случае очень больших объектов и/или расположенных в районах с высокой грозовой активностью. В последнем случае необходимо, определив число ударов молнии в объект за весь срок службы и приняв, например, приведенное в [2] соотношение числа положительных и отрицательных молний, определить отдельно число ударов положительно заряженных молний в объект и отдельно – число отрицательно заряженных.

После получения вероятности ударов молнии с каждой из полярностей необходимо вычислить параметры молнии с той и другой полярностью и определить, какие из них будут приводить к возникновению большей опасности для аппаратуры и ее цепей. Определенные таким образом параметры молнии и следует использовать для дальнейших расчетов.

ВЫВОДЫ

Исходя из сказанного, можно сделать следующие выводы:

  1. При оценке опасности молниевых разрядов необходимо:
    • учитывать влияние особенностей объекта (геометрические размеры, уровень грозовой активности в регионе и т.п.) на параметры импульса молнии;
    • учитывать как ток молнии, так и скорость нарастания фронта импульса молнии.
  2. В настоящее время отсутствует статистическая информация по связи вероятностных зависимостей I и di/dt, а также по количеству положительных и отрицательных молниевых разрядов для различных регионов РФ.
  3. Ввиду отсутствия указанной статистической информации, предложенный в статье метод оценки параметров импульса молнии представляется наиболее эффективным.
  4. Необходимо начать дискуссию, имеющую целью определить наиболее оптимальный метод как получения, так и использования необходимых статистических данных, актуальных именно для территории РФ.

ЛИТЕРАТУРА

  1. СО 153-34.21.122-2003 «Инструкция по устройству молниезащиты зданий, сооружений и промышленных коммуникаций».
  2. МЭК 62305 Lightning protection (Молниезащита).
  3. РД 34.21.122-87 «Инструкция по устройству молниезащиты зданий и сооружений».
  4. Berger K., Anderson R.B., Kroninger H. «Parameters of lightning flashes», 1975. Electra 80: 223-37.
  5. Anderson R.B., Eriksson A.J. «Lightning parameters for engineering application», 1980. Electra 69: 65-102.
  6. Amy E. Becker, Dr. Patrick S. Market «A study of lightning flashes attending periods of banded heavy snowfall». Thesis Supervisor. 2007.

© ЗАО «Новости Электротехники»
Использование материалов сайта возможно только с письменного разрешения редакции
При цитировании материалов гиперссылка на сайт с указанием автора обязательна

Источник

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)

. (1.38)

Максимальное значение магнитной индукции Bmax = μμHmax намагнитит регистратор доостаточной индукции Br, где μ = 4π10 -7 Гн/м – магнитная постоянная.

Рис. 1.14. Петля гистерезиса для магнитного материала Рис. 1.15. Измерение тока молнии

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.

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.

С увеличением высоты местности кривые вероятностей токов молнии снижаются.

Рис. 1.16. Кривая вероятности амплитуд тока молнии

Крутизна фронта тока молнии. Волна тока молнии iм возрастает до амплитудного значения Iм за время τф (длительность фронта или длина фронта, измеренная по оси времени) и спадает до половинного значения за время τв (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 τф (рис. 1.17):

, кА/мкс . (1.39)

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.

Рис. 1.17. Крутизна фронта тока молнии Рис. 1.18. Измерение крутизны фронта тока молнии

Во время прохождения тока молнии iм через молниеотвод вокруг него возникает переменный магнитный поток, который пронизывает контур, наводя в нем ЭДС:

. (1.40)

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 τф. 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 = μμHmax 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:

Читайте также:  Активная составляющая тока катушки

.

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.

Рис. 1.19. Вероятность P появления разряда молнии с крутизной фронта a

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)

где S – сечение проводника, мм 2 ; τв – 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.

Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет

Источник

Проектируем электрику вместе

12.09.2015

Оценка целесообразности молниезащиты. Новые подходы

Категории надежности молниезащиты.. Параметры тока молнии.. Расчетные оценки целесообразности молниезащиты.. Частота ударов молнии.. СО-153-34.21.122-2003.. Стандарт МЭК 62305-2-2010.. Оценка риска по методике МЭК.. Расчетные кривые распределения параметров молнии.. Вероятность превышения опасного тока молнии.. Пример оценки необходимости молниезащиты.. Программное обеспечение DEHNsupport для оценки рисков..

Прежде чем приступать к проектированию молниезащиты, нелишне узнать, насколько она реально необходима. Действительно, не зная степени риска, трудно понять, стоит ли вкладывать деньги в устройство молниеотводов или в расстановку в электрических цепях средств ограничения перенапряжений. Обращение к отечественным нормативам по молниезащите здесь мало помогает. Почему? Давайте разбираться.

Почему возникают трудности?

В «Инструкции по устройству молниезащиты зданий и сооружений» РД 34.21.122-87 оперируют тремя категориями защиты, не поясняя, о какой надежности идет речь в каждой из них. Более новый норматив «Инструкция по устройству молниезащиты зданий, сооружений и промышленных коммуникаций» СО-153-34.21.122-2003 вместо категорий нормирует 4 уровня защиты. Здесь уже указана обеспечиваемая надежность защиты от прямых ударов молнии, начиная от 0,98 (для I уровня), заканчивая 0,8 (для IV уровня). У многих проектировщиков, особенно начинающих, возникают определенные трудности при оценке рисков и выборе уровня надежности защиты от молнии (если эти параметры не прописаны в технических требованиях). Действительно, не зная степени риска, трудно понять, каковы должны быть параметры молниезащиты. Другими словами, от чего нужно защищать объект: от прямых попаданий молнии или от ее вторичных проявлений? А может быть необходима комплексная молниезащита?
Проблема усложняется еще и тем, что степень повреждения объекта сильно зависит от параметров тока молнии, в первую очередь от амплитуды импульса и от крутизны его фронта. Об этом также говорится в разделах 2.3.2–2.3.4 Инструкции СО-153-34.21.122-2003, где для каждого уровня защиты указаны предельные значения этих параметров. Однако проектировщику от этого не легче, так как важно знать не только нормированные параметры, но и вероятность их превышения разрядами молнии на территории защищаемого объекта.

Расчетные оценки

В идеале схема расчетных оценок может быть следующей:
Сначала вычисляется частота ударов молнии с учетом и без учета защитного действия спроектированных молниеотводов. Затем, исходя из конструкции объекта, его размеров, технологических функций и структуры электрических цепей, определяются параметры тока молнии, способные вызвать недопустимые повреждения.
Оценка такого рода должна выполняться отдельно для разрядов молнии, перехваченных молниеотводами, и для разрядов, прорвавшихся мимо молниеотводов непосредственно к объекту, потому что эти ситуации могут сильно отличаться по опасности воздействия.

Когда опасные токи известны или определены, остается определить вероятность их появления в канале молнии. Решение этой ключевой проблемы связано с исключительно большими трудностями. Теория молнии способна более или менее достоверно описать физические процессы ее развития, но бессильна, когда требуется предсказать параметры молниевого тока в конкретных условиях. Слишком много внешних факторов пришлось бы для этого учитывать.
Сегодня специалисты не сомневаются, что ток молнии зависит от электрического заряда грозового облака и его полярности, высоты грозовой ячейки над поверхностью земли, траектории канала, числа одновременно формирующихся ответвлений, высоты пораженного объекта. Список можно было бы продолжить, но даже перечисленное невозможно учесть в теории. Остается рассчитывать только на измерения, которых до обидного мало.
Почти 100 лет современных наблюдений за молнией не принесли и тысячи полноценных прямых осциллографических записей тока. Достоверной статистики они не обеспечивают. Трудно дифференцировать записи тока молнии для объектов различной высоты или для ударов, перехваченных молниеотводом либо прорвавшихся мимо него в зону защиты. Не хватает фактических данных для построения статистических распределений в различных регионах земного шара, скажем, в тропиках, средней полосе или приполярных районах.

Перспективными могут быть дистанционные методы, в которых параметры тока молнии синтезируются по регистрациям магнитного поля в дальней зоне. Однако их погрешность, к сожалению, слишком велика, поэтому приходится идти на вынужденное упрощение и усреднение статистики, что существенно снижает ее достоверность.

Оценка риска по методике МЭК

В стандарте МЭК 62305-2-2010 «Защита от молнии. Часть 2. Оценка риска» приводятся данные для комплексного анализа риска объекта в результате воздействия прямых ударов молнии и электромагнитных наводок. Во внимание принимаются такие факторы, как угроза человеческой жизни, угроза нарушения работы инженерных систем, потери культурных и материальных ценностей. Пример расчета рисков по рекомендациям стандарта и необходимость внедрения тех или иных мер защиты от молнии был приведен мною в статье «Оценка необходимости молниезащиты по МЭК 62305-2-2010».
Несмотря на достаточно четкие указания, приведенные в этом стандарте, решение подобной задачи является весьма трудоемким, так как проектировщику приходится оперировать весьма большим количеством данных.

Сегодня Международная электротехническая комиссия (МЭК) использует обобщенную независимо от географических координат местности статистику токов молнии, собранную и обработанную СИГРЭ (Международным советом по большим электрическим системам высокого напряжения). Для приближенного описания практически всех параметров молнии использован логнормальный закон:

где P(Y) – вероятность превышения рассматриваемым параметром молнии заданного значения Y;
σlg и (lgY)ср – соответственно стандарт распределения и среднее значение логарифмов этого параметра, которые и определяют характер распределения.

Каждое из распределений представляется в виде прямой линии. Исключение сделано только для распределения амплитуд тока первых компонентов отрицательной молнии, которое для повышения точности интерполяции представлено двумя прямолинейными отрезками.
На рис. 1 показано, как приблизительно выглядит распределение амплитуд тока и длительностей фронтов его импульсов для компонентов молний. Амплитуды тока выражены в килоамперах, временные параметры – в микросекундах. Предполагается, что между этими параметрами нет корреляции и они могут рассматриваться как статистически независимые величины.

Читайте также:  Замкнутая цепь электрический ток в металлах

Рис. 1 .

Здесь приведены расчетные кривые параметров для первых компонентов отрицательных (1) и положительных (2) молний, а также для последующих компонентов (3).
Распределение амплитуд тока молнии – красные кривые.
Распределение длительностей фронтов импульсов тока молнии – синие кривые.

Пользоваться расчетными кривыми совсем несложно. Рассмотрим несколько примеров.

Пример 1 .
Положим, оценка показала, что ожидаемое число ударов молнии в защищаемый объект Nмол = 0,1 удара в год (порядок расчета заслуживает отдельного рассмотрения), а по условиям растекания опасным считается ток молнии амплитудой 50 кА. Оценим вероятность его появления для первых компонентов, наибольших по амплитуде.

По красным кривым 1 и 2 вероятность превышения опасного тока у отрицательных молний близка к 18%, а у положительных – примерно 33%. Поскольку доля положительных молний в Европе принимается равной 10%, суммарное значение искомой вероятности определяется как PI = 0,18 х 0,9 + 0,33 х 0,1≈ 0,2.
Исходя из этого частота опасного воздействия молнии: Nоп = Nмол х PI = 0,1 х 0,2 = 0,02 удара в год, что приблизительно соответствует 1 удару молнии за 50 лет эксплуатации объекта.

Пример 2 .
Допустим, для расчета электромагнитных наводок надо определить частоту появления импульсов тока первого компонента, которые при амплитуде свыше 50 кА характеризуются длительностью фронта меньше 2 мкс. Для отрицательных молний (синие кривые) приблизительно 92% имеют более длинный фронт и, следовательно, вероятность импульса с фронтом короче 2 мкс оценивается здесь как Pф = 1 – 0,92 = 0,08 (синяя кривая 1). Аналогичная оценка для положительных молний дает практически такую же величину Pф = 1 – 0,92 = 0,08 (синяя кривая 2).
Таким образом, вероятность молнии, ток которой больше 50 кА, а фронт меньше 2 мкс, составляет P = PI х Pф ≈ 0,2 x 0,08= 0,016. Их ежегодно ожидаемое число составит Nоп = Nмол х P = 0,1 х 0,016 = 0,0016, то есть приблизительно один удар за 1 : 0,0016 ≈ 625 лет.

В стандарте ГОСТ Р МЭК 62305-1-2010. Защита от молнии. Часть 1. Общие принципы представлены значения стандартов распределения и средних значений логарифма для всех практически значимых параметров молнии (таблицы А.1 и А.2), а для большинства из них построены и кривые распределения (рис. 5). С их помощью легко определить, насколько часты не просто удары молнии, а удары, опасные для защищаемого объекта.

Программа DEHNsupport для оценки рисков

Для облегчения расчета немецкая компания DEHN + SÖHNE – один из лидеров в области комплексной защиты от воздействия разрядов молний – предлагает специализированное программное обеспечение DEHNsupport.

Программа позволяет легко и быстро оценить риск поражения молнией объекта, а также находящихся в нем людей и установленного оборудования. Для этого проектировщику достаточно ввести информацию о здании (размеры, расположение относительно других сооружений, наличие или отсутствие системы внешней молниезащиты), характеристики входящих линий и коммуникаций и выбрать факторы риска, которые должны приниматься во внимание в данном случае. Всё остальное берет на себя компьютер.
В результате на экране монитора отображаются численные значения риска для различных составляющих и его суммарная величина. Выбирая различные мероприятия в области молниезащиты, можно добиться того, чтобы суммарный риск был меньше допустимого для данного сооружения.

Программа отличается удобным интерфейсом, функциональностью и существенно сокращает время, нужное проектировщику для того, чтобы принять решение о необходимости применения системы защиты объекта от молний.

Программное обеспечение DEHNsupport Toolbox может быть заказано и получено от компании DEHN + SÖHNE.
Подробная техническая информация, форма заказа и демоверсия программы, а также руководство по установке и монтажу молниезащиты, каталоги и печатные материалы по продукции DEHN+SÖHNE можно получить в представительстве компании в России на www.dehn-ru.com.

Если статья Вам понравилась и Вы цените вложенные в этот проект усилия – у Вас теперь есть возможность внести посильный вклад в развитие сайта на странице «Поддержка проекта».

Внимание!
Всех интересующихся практической электротехникой приглашаю на страницы своего нового сайта «Электрика для дома». Он посвящен основам электротехники и электричества с акцентом на домашние электрические установки и процессы, в них происходящие.

Источник

Основные параметры молнии. Интенсивность грозовой деятельности

Основной количественной характеристикой молнии является ток, протекающий через пораженный объект, который характеризуется максимальным значением iм, средней крутизной фронта и длительностью импульса τи которая равна времени уменьшения тока до половины максимального значения.

В настоящее время наибольшее количество данных имеется по максимальным значениям тока молнии, измерение которой осуществляется простейшими измерительными приборами — магниторегистраторами, которые представляют собой цилиндрические стерженьки, изготовленные из стальных опилок или проволочек, за прессованных в пластмассу. Магниторегистраторы укрепляются вблизи возвышающихся объектов (молниеотводы, опоры линий передач) и располагаются вдоль силовых линий магнитного поля, которое возникает при прохождении тока молнии через объект. Так как для изготовления регистраторов применяются материалы, обладающие большой коэрцитивной силой, они сохраняют большую остаточную намагниченность. Измеряя эту намагниченность, можно с помощью градуировочных кривых определить максимальное значение намагничивающего тока. Измерения магниторегистраторами не обеспечивают большой точности, однако этот недостаток частично компенсируется огромным количеством измерений, которые к настоящему времени исчисляются десятками тысяч.

Располагая вблизи от поражаемого объекта рамку, замкнутую на ин- дуктивную катушку, можно измерить крутизну тока молнии с помощью магниторегистратора, помещенного внутри катушки.

Рис. 10.3 – Кривые вероятности токов молнии по рекомендациям различных авторов. 1 — по данным С. Шпора (Польша); 2 — по данным Льюиса и Фауста (США); 3 — по нормам, принятым в СССР; 4 — по рекомендациям Американского института инженеров-электриков; 5 — по данным измерений на американском небоскребе.

Измерения показали, что токи молнии изменяются в широких пределах от нескольких килоампер до сотен килоампер, поэтому результаты измерения представляются в виде кривых вероятностей (функций распределения) токов молнии, на которых по оси абсцисс откладывается вероятность появления токов молнии с максимальным значением, превышающим значение, указываемое ординатой

На рис. 10.3 приведены кривые вероятности, полученные разными исследователями в различных странах мира. Все эти кривые имеют сходный характер, но довольно сильно отличаются друг от друга. Эти отличия определяются не столько климатическими условиями районов, где производились измерения токов молнии, сколько применявшейся методикой измерений и обработки опытных данных. В Советском Союзе при расчетах грозозащиты используется кривая 3, которой приблизительно соответствует экспоненциальный закон распределения вероятностей:

где Iм — максимальное значение тока молнии, кА; РI — вероятность того, что максимальное значение тока молнии больше Iм.

Для горных местностей ординаты кривой 3 уменьшаются в 2 раза, так как при малых расстояниях от земли до облаков молния возникает при меньшей плотности зарядов в скоплениях, т. е. вероятность больших токов уменьшается.

Значительно большие трудности представляет экспериментальное определение крутизны и длительности импульса тока молнии, поэтому количество экспериментальных данных по этим параметрам относительно невелико.

Длительность импульса тока молнии в основном определяется временем распространения обратного разряда от земли до облака и в связи с этим изменяется в относительно узких пределах от 20 до 80—100 мкс. Средняя длительность импульса тока молнии близка к 50 мкс, что и определило выбор стандартного импульса.

Крутизна тока молнии на фронте изменяется в столь же широких пределах, что и амплитуда тока молнии, поэтому результаты измерения крутизны оформляются в виде кривых вероятности. Полученные экспериментально кривые также близки к экспоненциальному закону распределения. Наибольшее распространение получила следующая эмпирическая формула:

где а — крутизна тока молнии, кА/мкс.

Для практических целей часто бывает недостаточно знать по отдельности вероятности крутизны и максимальных значений тока молнии, необходимо иметь сведения о связи этих величин друг с другом. Такие сведения могут быть получены только из одновременных регистрации этих двух параметров, которых к настоящему времени имеется всего несколько сотен. Эти немногочисленные регистрации показывают, что крутизна имеет тенденцию возрастать при увеличении максимального значения тока молнии, однако эта тенденция довольно слабо выражена. В дальнейших расчетах эти величины в первом приближении принимаются независимыми.

Заряд, стекающий в землю во время многократной молнии, изменяется в пределах от долей кулона до 100 Кл и более. Среднее значение этого заряда близко к 20 Кл. Заряд, спускаемый в землю во время гроз, по-видимому, играет существенную роль в поддержании отрицательного заряда земли. Интенсивность грозовой деятельности в различных климатических районах различается очень сильно. Как правило, количество гроз в течение года минимально в северных районах и постепенно увеличивается к югу, где повышенная влажность воздуха и высокая температура способствуют образованию грозовых облаков. Однако эта тенденция соблюдается не всегда. Существуют очаги грозовой деятельности и в средних широтах (например, в районе Киева), где создаются благоприятные условия для формирования местных гроз.

Интенсивность грозовой деятельности принято характеризовать числом грозовых дней в году или общей годовой продолжительностью гроз в часах. Последняя характеристика более правильна, так как число ударов молнии в землю зависит не от числа гроз, а от их общей продолжительности, однако пока эта характеристика принята только в Советском Союзе.

Число грозовых дней или часов в году определяется на основании многолетних наблюдений метеорологических станций, обобщение которых позволяет составить карты грозовой деятельности. Средняя продолжительность гроз за один грозовой день для территории Советского Союза составляет 1,5—2 ч.

По имеющимся данным, в районах с числом грозовых часов в году n = 30 1 км 2 поверхности земли в среднем поражается 1 раз в 2 года т е среднее число разрядов молнии в 1 км поверхности земли за 1 грозовой час равно 0,067.

Дата добавления: 2017-01-16 ; просмотров: 3869 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

Источник

Adblock
detector