Защита от прямых ударов молнии осуществляется с помощью молниеотводов. Молниеотвод представляет собой возвышающееся над защищаемым объектом устройство, через которое ток молнии, минуя защищаемый объект, отводится в землю. Молниеотвод состоит из молниеприемника, непосредственно воспринимающего на себя удар молнии, токоотвода и заземлителя.

Защитное действие молниеотводов основано на том, что во время лидерной стадии на вершине молниеотвода скапливаются заряды и наибольшие напряженности электрического поля создаются на пути между развивающимся лидером и вершиной молниеотводов. Возникновение и развитие с молниеотвода встречного лидера еще более усиливает напряженности поля на этом пути, что окончательно предопределяет удар в молниеотвод. Защищаемый объект, более низкий, чем молниеотвод, будучи расположен поблизости от него, оказывается заэкранированным молниеотводом и встречным лидером и поэтому практически не может быть поражен молнией.

Защитное действие молниеотвода характеризуется его зоной защиты, т.е. пространством вблизи молниеотвода, вероятность попадания молнии в которое не превышает определенного достаточно малого значения.

Молниеотводы по типу молниеприемников разделяются на стержневые и тросовые. Стержневые молниеотводы выполняются в виде вертикально установленных стержней (мачт), соединенных с заземлителем, а тросовые - в виде горизонтально подвешенных проводов. По опорам, к которым крепится трос, прокладываются токоотводы, соединяющие трос с заземлителем.

Открытые распределительные устройства подстанций защищаются стержневыми молниеотводами, а линии электропередачи - тросовыми. Для защиты шинных мостов и гибких связей большой протяженности также могут применяться тросовые молниеотводы.

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

В последнее время интенсивно ведутся исследования по повышению эффективности молниеотводов (Г.Н. Александров - ЛПИ). В частности, на крупномасштабной модели с воздушным промежутком длиной 10' м экспериментально показано, что лазерная искра влияет на ориентировку лидера так же, как и эквивалентный ей по длине металлический заземленный стержень.

За рубежом настойчиво рекламируются так называемые радиоактивные молниеотводы - стержневые молниеотводы, молниеприемники которых снабжены источниками радиоактивного излучения. Предполагается, что за счет этого излучения над молниеотводом образуется столб ионизированного воздуха, как бы увеличивающего высоту молниеотвода. Однако при применяемых радиоактивных соединениях высота ионизированного столба воздуха, имеющего достаточную проводимость, не превышает 10-15 см. Количество мощных частиц, проникающих на высоту в несколько десятков сантиметров, невелико, и они не могут создать проводящий канал.

Зоны защиты молникотводов

В настоящее время в связи с потребностями практики нормированы зоны защиты молниеотводов высотой до 150 м. Зона защиты одиночного стержневого молниеотвода высотой h<150 м представляет собой круговой конус (рис.3.1) с вершиной на высоте h_o<h, сечение которого на высоте h_x имеет радиус г_х.

Рис.7.1. Сечение зоны защиты стержневого молниеотвода

Граница зоны защиты находится по формулам (все размеры - в метрах):

Вероятность прорыва молнии через границу зоны не превышает 0,005. Если допустить вероятность прорыва молнии 0,05, то зона защиты расширяется. В ряде случаев такая зона удовлетворяет потребностям практики, так как для объектов высотой до 30 м число разрядов обычно меньше 0,1 в год. Поэтому при вероятности прорыва 0,05 защищаемый объект в среднем будет поражаться не чаще, чем 1 раз за 200 лет эксплуатации. Зона защиты одиночного молниеотвода при вероятности прорыва 0,05 описывается формулами:

,

Зона защиты двух стержневых молниеотводов, находящихся вблизи друг от друга [на расстоянии, меньшем (3-5) h], расширяется по сравнению с зонами отдельных молниеотводов. Возникает дополнительный объем зоны защиты, обусловленный совместным действием двух молниеотводов. Зоны защиты двойного стержневого молниеотвода описываются формулами:

а) при вероятности прорыва Р_пр=0,005

Рис.7.2. Зона защиты двойного стержневого молниеотвода:

а - сечение вертикальной плоскостью, проходящей через оси

молниеотводов; б - сечение горизонтальной плоскостью на высоте h_x.

где r₀ - зона защиты одиночного молниеотвода на уровне земли

(h_X=0).

Если расстояние 1 между молниеотводами превышает 3h (Р_ПР=0,005)

или 5h (Р_ПР = 0,05), каждый из молниеотводов следует рассматривать как одиночный.

Несколько близко расположенных молниеотводов (например, три и более) образуют "многократный" молниеотвод. Его зона защиты определяется зонами защиты ближайших молниеотводов. При этом принимается, что внутренняя зона имеет вероятность прорыва такую же, как и зоны взятых попарно молниеотводов.

Для защиты протяженных объектов тросовые молниеотводы натягивают над защищаемым объектом и заземляют на опорах. Зона защиты одиночного тросового молниеотвода определяется по формулам

Заземление молниеотводов

Для устройства заземлений применяются вертикальные и горизонтальные электроды (заземлители). Для горизонтальных заземлителей используется полосовая сталь шириной 20-40 мм и толщиной не менее 4 мм, а также сталь круглого сечения диаметром не менее 6 мм. В качестве вертикальных заземлителей применяются стальные трубы, стержни и профильная сталь. На подстанциях заземлитель представляет собой сложную систему, состоящую обычно из горизонтальных полос, объединяющих вертикальные электроды и образующих сетку на площади, занимаемой подстанцией. На линиях электропередачи в качестве заземлителя опор могут использоваться их железобетонные фундаменты.

Заземлитель характеризуется значением сопротивления, которое окружающая земля оказывает стекающему с него току. Сопротивление заземлителя зависит от его геометрических размеров и удельного сопротивления грунта р, в котором он находится.

Для расчета сопротивления заземления одиночного стержневого молниеотвода или линейной опоры используются следующие формулы сопротивление вертикальной трубы или стержня:

где 1 - длина трубы или полосы; t-глубина залегания полосы, верхнего конца вертикального электрода или нижнего конца фундамента; b - ширина полосы или фундамента; d - диаметр трубы или стержня.

Расчетное значение ρ определяется по данным измерений как

 (3.10)

где К - сезонный коэффициент; ρ_{ИЗМ -} измеренное значение

удельного сопротивления грунта. Если измерение проводилось при средней влажности грунта, то К=1,4. При повышенной влажности земли перед измерением берется К=2,6.

Быстрое же нарастание тока молнии на фронте импульса создает падение напряжения на индуктивности протяженного заземлителя, что ограничивает отвод тока с удаленных его частей. При этом сопротивление заземления, наоборот, увеличивается.

В результате влияния того или иного фактора (образования зоны искрения или падения напряжения на индуктивности) сопротивление заземлителя при прохождении тока молнии - так называемое импульсное сопротивление R_И - отличается от стационарного сопротивления заземления, измеренного при переменном напряжении и сравнительно небольшом токе.

Отношение импульсного и стационарного сопротивлений заземления называется импульсным коэффициентом

Пусть ток I стекает с вертикального заземлителя в виде стержня при t=0. На границе искровой зоны, представляющей собой цилиндрическую поверхность радиусом г_из, напряженность электрического поля

Рис.3.3 Искровая зона вокруг вертикального электрода

Сосредоточенные заземлители имеют тем меньшее R_h, чем больше ток молнии, проходящий через заземлитель, и выше удельное сопротивление грунта.

Анализ протяженного горизонтального заземлителя без учета искровых процессов, который здесь не приводится из-за его громоздкости, приводит к следующему выражению для импульсного коэффициента:

где  индуктивность единицы длины

горизонтального заземлителя, мкГн/м; τ_Ф - длительность фронта тока молнии, макс.

Импульсный коэффициент протяженного горизонтального заземлителя больше единицы, и чем больше его длина и меньше длительность фронта импульсного тока, тем выше значение а_и.

Следует иметь в виду, что у поверхности протяженного заземлителя имеют место искровые процессы, однако они ослабевают по мере удаления от начала заземлителя, поскольку уменьшаются его потенциал и плотность стекающего тока. Искровые процессы в земле существенно влияют на импульсное сопротивление протяженного заземлителя. При малых длинах его, когда плотности тока велики, искровые процессы могут привести к уменьшению импульсного коэффициента до .

Если заземлитель состоит из п труб или полос, то его импульсное сопротивление равно

где η_{И -} импульсный коэффициент использования заземлителя, учитывающий ухудшение условий растекания тока молнии вследствие взаимного экранирования электродов.

Сопротивление заземлителя подстанции в виде сетки, которая состоит из вертикальных электродов, объединенных горизонтальными полосами, рассчитывается по эмпирической формуле:

где L - суммарная длина всех горизонтальных заземляющих электродов (полос); пи 1 - число и длина вертикальных электродов; S - площадь, занятая заземлителем;

ρ - расчетное значение удельного сопротивления грунта А - коэффициент, определяемый по значению