Гуменюк О_Л_ Методичні вказівки до проведення розрахунків з розділу ОП в ДП для студентів ОКР_бакалавр_спеціаліст_магістр_ галузей знань _ інформатика та обчислювальна техніка_ менеджмент і адміністрування

Вибір типу і висоти блискавковідводів провадиться виходячи зі значень необхідної надійності Рз. Об'єкт вважається захищеним, якщо сукупність всіх його блискавковідводів забезпечує надійність захисту не менше Pз.

У всіх випадках система захисту від прямих ударів блискавки вибирається так, щоб максимально використовувалися природні блискавковідводи, а якщо забезпечувана ними захищеність недостатня – в комбінації зі спеціально встановленими блискавковідводами.

В загальному випадку вибір місць встановлення і параметрів блискавковідводів повинен проводитися за допомогою відповідних комп'ютерних програм, здатних обчислювати зони захисту або імовірність прориву блискавки в об'єкт (групу об'єктів) будь-якої конфігурації при довільному розташуванні практично будь-якого числа блискавковідводів різних типів.

За інших рівних умов висоту блискавковідводів можна понизити, якщо замість стрижньових конструкцій застосовувати тросові, особливо при їх підвішуванні по зовнішньому периметру об’єкта.

Якщо захист об’єкта забезпечується найпростішими блискавковідводами (одиничним стрижньовим, одиничним тросовим, подвійним стрижньовим, подвійним тросовим, замкнутим тросовим), розміри блискавковідводів можна визначати, користуючись зонами захисту блискавковідводів, які відповідають заданому значенню Рз.

У разі проектування блискавкозахисту для звичайного об’єкта, можливо визначення зон захисту блискавковідводів за захисним кутом або методом фіктивної сфери.

Зони захисту одиничних стрижньових блискавковідводів

Стандартною зоною захисту одиничного стрижньового блискавковідводу висотою h є круговий конус висотою hо < h, вершина якого співпадає з вертикальною віссю блискавковідводу (рисунок 18). Габарити зони визначаються двома параметрами: висотою конуса hо і радіусом конуса на рівні землі rо.

Наведені нижче розрахункові формули (таблиця 43) придатні для блискавковідводів висотою до 150 м. При більш високих блискавковідводах слід користуватися спеціальною методикою розрахунку.

h - висота блискавковідводу; hо - висота конуса; rо - радіус конуса

rх - радіус горизонтального перерізу на висоті hx

Рисунок 18 – Зони захисту одиничного стрижньового блискавковідводу

Таблиця 43 – Розрахунок зони захисту одиничного стрижньового блискавковідводу

Надійність захисту РЗ	Висота блискавковідводу h, м	Висота конуса hо, м	Радіус конуса rо, м
0,9	від 0 до 100	0,85h	1,2h
0,9	від 100 до 150	0,85h	[1,2–10-3(h–100)]h
0,99	від 0 до 30	0,8h	0,8h
	від 30 до 100	0,8h	[0,8–1,43·10-3(h–30)] h
	від 100 до 150	[0,8 – 10-3(h – 100)]h	0,7h
0,999	від 0 до 30	0,7h	0,6h
	від 30 до 100	[0,7–7,14·10-4(h – 30)]h	[0,6–1,43·10-3 (h–30)] h
	від 100 до 150	[0,65 – 10-3(h – 100)]h	[0,5 – 2·10-3 (h – 100)]h

Для зони захисту необхідної надійності одиничного стрижньового блискавковідводу радіус горизонтального перерізу rх на висоті hx визначається за формулою:

Зони захисту одиничних тросових блискавковідводів

Стандартні зони захисту одиничного тросового блискавковідводу висотою h обмежені симетричними двосхилими поверхнями, що створюють у вертикальному перерізі рівнобедрений трикутник з вершиною на висоті hо < h і основою на рівні землі 2rо (рисунок 19).

Рисунок 19 – Зона захисту одиничного тросового блискавковідводу

Наведені нижче розрахункові формули (таблиці 44) придатні для блискавковідводів висотою до 150 м. За більшої висоти слід користуватися спеціальним програмним забезпеченням. Тут і далі під h розуміється мінімальна висота троса над рівнем землі (з урахуванням провисання).

Напівширина rx зони захисту необхідної надійності одиничного тросового блискавковідводу на висоті hх від поверхні землі визначається за формулою (64).

За необхідності розширити об'єм, що захищається, до торців зони захисту власне тросового блискавковідводу можуть додаватися зони захисту несучих опор, які розраховуються за формулами одиничних стрижньових блискавковідводів, наведених в таблиці 43. У разі великих провисань тросів, наприклад, на повітряних лініях електропередач, рекомендується розраховувати забезпечувану ймовірність прориву блискавки програмними методами, оскільки побудова зон захисту за мінімальною висотою троса в прольоті може привести до невиправданих витрат.

Таблиця 44 – Розрахунок зони захисту одиничного тросового блискавковідводу

Надійність захисту Р3	Висота блискавковідводу h, м	Висота конуса hо, м	Радіус конуса rо, м
0,9	від 0 до 150	0,87 h	1,5 h
0,99	від 0 до 30	0,8 h	0,95 h
	від 30 до 100	0.8 h	[0,95–7,14·10-4(h–30)]h
	від 100 до 150	0,8 h	[0,9–10-3(h–100)] h
0,999	від 0 до 30	0,75 h	0,7 h
	від 30 до 100	[0,75–4,28·10-4(h–30)] h	[0,7–1,43·10-3(h–30)] h
	від 100 до 150	[0,72–10-3(h–100)] h	[0,6–10-3(h–100)] h

Зони захисту подвійного стрижньового блискавковідводу

Блискавковідвід вважається подвійним, коли відстань між стрижньовими блискавкоприймачами L не перевищує граничної величини Lmax. В супротивному випадку обидва блискавковідводи розглядаються як одиничні.

Конфігурація вертикальних і горизонтальних перерізів стандартних зон захисту подвійного стрижньового блискавковідводу (висотою h і відстанню L між блискавковідводами) показана на рисунку 20. Побудова зовнішніх областей зон подвійного блискавковідводу (напівконусів з габаритами hо, rо) виконується за формулами таблиці 43 для одиничних стрижньових блискавковідводів. Розміри внутрішніх областей визначаються параметрами ho і hс, перший з яких задає максимальну висоту зони безпосередньо біля блискавковідводів, а другий – мінімальну висоту зони посередині між блискавковідводами. При відстані між блискавковідводами L ≤ Lc межа зони не має провисання (hc = hо). Для відстаней Lс≤ L ≤ Lmax висота hс визначається за формулою

Граничні відстані Lmax і Lc обчислюються за емпіричними формулами таблиці 45, придатними для блискавковідводів висотою до 150 м. При більшій висоті блискавковідводів слід користуватися спеціальним програмним забезпеченням.

Розміри горизонтальних перерізів зони обчислюються за наступними формулами, загальними для всіх рівнів надійності захисту:

– максимальна напівширина зони rх в горизонтальному перетині на висоті hx обчислюється за формулою (64);

– ширина горизонтального перерізу в центрі між блискавковідводами 2rсх на висоті hx ≤ hc :

L – відстань між блискавковідводами; h – висота блискавковідводу; hо – максимальна висота зони захисту безпосередньо біля блискавковідводу; rо – радіус конуса; rх – максимальна напівширина зони в горизонтальному перерізі на висоті hx ; hс – мінімальна висота зони захисту посередині між блискавковідводами; rсх – ширина горизонтального перерізу в центрі між блискавковідводами

Рисунок 20 – Зона захисту подвійного стрижньового блискавковідводу

Таблиця 45 – Розрахунок параметрів зони захисту подвійного стрижньового блискавковідводу

Надійність захисту Р3	Висота блискавко-відводу h, м	Lmax , м	Lc, м
0,9	від 0 до 30	5,75 h	2,5h
	від 30 до 100	[5,75 – 3,57·10-3(h – 30)] h	2,5h
	від 100 до 150	5,5h	2,5h
0,99	від 0 до 30	4,75h	2,25h
	від 30 до 100	[4,75–3,57·10-3(h – 30)] h	[2,25 – 0,01007(h – 30)] h
	від 100 до 150	4,5h	1,5h
0,999	від 0 до 30	4,25h	2,25h
	від 30 до 100	[4,25–3,57·10-3(h – 30)] h	[2,25–0,01007(h –30)] h
	від 100 до 150	4,0h	1,5h

Зона захисту подвійного тросового блискавковідводу

Блискавковідвід вважається подвійним, коли відстань між тросами L не перевищує граничної величини Lmax. В супротивному випадку обидва блискавковідводи розглядаються як одиничні.

Конфігурація вертикальних і горизонтальних перерізів стандартних зон захисту подвійного тросового блискавковідводу (заввишки h і відстанню між тросами L) показана на рисунку 21. Побудова зовнішніх областей зон (двох односхилих поверхонь з габаритами hо, rо) виконується за формулами таблиці 44 для одиничних тросових блискавковідводів.

Розміри внутрішніх областей визначаються параметрами hо і hс , перший з яких задає максимальну висоту зони безпосередньо біля тросів, а другий – мінімальну висоту зони посередині між тросами. При відстані між тросами L ≤ Lc межа зони не має провисання (hс = hо). Для відстаней Lc ≤ L ≤ Lmax висота hc визначається за формулою (65).

L - відстань між тросами; h - мінімальна висота тросу над рівнем землі; hо - максимальна висота зони захисту безпосередньо біля тросів; rо - радіус конуса на рівні землі; hс - мінімальна висота зони захисту посередині між тросами

Рисунок 21 – Зона захисту подвійного тросового блискавковідводу

Граничні відстані Lmax і Lc обчислюються за емпіричними формулами таблицею 46, придатними для тросів з висотою підвісу до 150 м. При більшій висоті блискавковідводів слід користуватися спеціальним програмним забезпеченням.

Довжина горизонтального перерізу зони захисту lx на висоті hx визначається:

Для розширення об'єму, що захищається, на зону подвійного тросового блискавковідводу може бути накладена зона захисту опор, несучих троси, яка будується як зона подвійного стрижньового блискавковідводу, якщо відстань L між опорами менше Lmax, обчислена за формулами таблиці 45. В протилежному випадку опори повинні розглядатися як одиничні стрижньові блискавковідводи.

Таблиця 46 – Розрахунок параметрів зони захисту подвійного тросового блискавковідводу

Надійність захисту Р3	Висота блискавко-відводу h, м	Lmax , м	Lc, м
0,9	від 0 до 150	6,0h	3,0h
0,99	від 0 до 30	5,0h	2,5h
	від 30 до 100	5,0h	[2,5 – 7,14·10-3(h - 30)] h
	від 100 до 150	[5,0 – 5·10-3(h - 100)] h	[2,0 – 5 ·10-3(h - 100)] h
0,999	від 0 до 30	4,75h	2,25h
	від 30 до 100	[4,75 – 3,57·10-3(h - 30)] h	[2,25 – 3,57·10-3(h - 30)] h
	від 100 до 150	[4,5 – 5 ·10-3(h - 100)] h	[2,0 – 5·10-3(h - 100)] h

Коли троси непаралельні або різновисокі, або їх висота змінюється за довжиною прольоту, для оцінки надійності їх захисту слід користуватися спеціальним програмним забезпеченням. Так само рекомендується діяти при великих провисаннях тросів в прольоті, щоб уникнути зайвих запасів за надійністю захисту.

Зони захисту замкнутого тросового блискавковідводу

Розрахункові формули 69 – 74 можуть використовуватися для визначення висоти підвісу замкнутого тросового блискавковідводу, призначеного для захисту з необхідною надійністю об'єктів заввишки hо < 30 м, розміщених на прямокутному майданчику площею Sо у внутрішньому об'ємі зони при мінімальному горизонтальному зсуві між блискавковідводом і об'єктом, рівному D (рисунок 22). Під висотою підвісу троса мається на увазі мінімальна відстань від троса до поверхні землі з урахуванням можливих провисань в літній сезон.

в якому константи А і В визначаються залежно від рівня надійності захисту за наступними формулами:

Розрахункові співвідношення справедливі, коли D > 5 м. Робота з меншими горизонтальними зсувами троса недоцільна через високу імовірність зворотних перекриттів блискавки з троса на об'єкт, що захищається. З економічних міркувань замкнуті тросові блискавковідводи не рекомендуються, коли необхідна надійність захисту менше 0,99.

h - висота замкнутого тросового блискавковідводу; hоб – висота об’єкта;
D - горизонтальний зсув між блискавковідводом і об'єктом

Рисунок 22 – Зона захисту замкнутого тросового блискавковідводу

Якщо висота об’єкта перевищує 30 м, висоту замкнутого тросового блискавковідводу рекомендується визначати за допомогою програмного забезпечення. Так само слід діяти для замкнутого контуру складної форми.

Після вибору висоти блискавковідводів за їх зонами захисту рекомендується перевірити комп'ютерними засобами фактичну імовірність прориву блискавки, а, у разі великого запасу за надійністю, провести коригування, задаючи меншу висоту блискавковідводів.

Визначення зон захисту блискавковідводів методами зихисного кута, фіктивної сфери і у разі застосування захисної сітки

Нижче надаються правила визначення зон захисту блискавковідводів для об'єктів висотою до 60 м методами зихисного кута, фіктивної сфери і у разі застосування захисної сітки. При проектуванні може бути вибраний будь-який спосіб визначення зон захисту.

Доцільно використовувати окремі методи в наступних випадках:

– метод захисного кута – для простих за формою споруд і об’єктів ІV РБЗ або для маленьких частин великих споруд;

– метод фіктивної сфери – для споруд складної форми;

– застосування захисної сітки доцільно в загальному випадку і особливо для захисту поверхонь.

В таблиці 47 для рівнів захисту I – IV наводяться значення кутів при вершині зони захисту, радіуси фіктивної сфери, а також гранично допустимий крок чарунки сітки.

Таблиця 47 – Параметри для розрахунку зон захисту блискавкоприймачів методами зихисного кута, фіктивної сфери і у разі застосування захисної сітки

Рівень захисту	Радіус фіктивної сфери R, м	Кут αо, при вершині блискавковідводу для будівель різної висоти hоб, м				Крок чарунки сітки, м
Рівень захисту	Радіус фіктивної сфери R, м	20	30	45	60	Крок чарунки сітки, м
І	20	25	*	*	*	5
II	30	35	25	*	*	10
III	45	45	35	25	*	10
IV	60	55	45	35	25	20
* В цих випадках застосовні тільки сітки або фіктивні сфери.

Стрижньові блискавкоприймачі, щогли і троси розміщуються так, щоб всі частини споруди знаходилися в зоні захисту, утвореного під кутом α до вертикалі. Захисний кут вибирається за таблиці 47.

Метод захисного кута не використовується, якщо hоб більше, ніж радіус фіктивної сфери, визначений за таблиці 47 для відповідного рівня захисту.

Метод фіктивної сфери використовується для визначення зони захисту блискавковідводів частини або ділянок споруди, коли згідно з таблиці 47 виключено визначення зони захисту за захисним кутом. Об'єкт вважається захищеним, якщо фіктивна сфера, торкаючись поверхні блискавковідводу і площини, на якій той встановлений, не має спільних точок з об'єктом, що захищається.

Сітка захищає поверхню, якщо виконані наступні умови:

– провідники сітки проходять по краю даху, який виходить за габаритні розміри будівлі;

– провідник сітки проходить по гребеню даху, якщо нахил даху перевищує 1/10;

– бокові поверхні споруди на рівнях вище, ніж радіус фіктивної сфери (таблиця 47), захищені блискавковідводами або сіткою;

– розміри чарунки сітки не більші наданих в таблиця 47;

– сітка виконана таким методом, щоб струм блискавки мав завжди, принаймні, два різні шляхи до заземлювача; ніякі металеві частини не повинні виступати за зовнішні контури сітки.

Провідники сітки повинні бути прокладені, наскільки це можливо, найкоротшими шляхами.

Захист електричних металевих кабельних ліній передач магістральної і внутрішньозонових мереж зв'язку

На нових проектованих і реконструйованих кабельних лініях магістральної і внутрішньозонових мереж* зв'язку захисні заходи слід передбачати в обов'язковому порядку на тих ділянках, де імовірна щільність пошкоджень (імовірне число небезпечних ударів блискавки) перевищує допустиму, вказану в таблиця 48.

*Магістральні мережі – мережі для передачі інформації на великі відстані; внутрішньозонові мережі – мережі для передачі інформації між обласними і районними центрами.

Таблиця 48 – Допустима кількість небезпечних ударів блискавки на 100 км траси в рік для електричних кабелів зв'язку

Тип кабелю	Допустима розрахункова кількість небезпечних ударів блискавки на 100 км траси за рік nд
Тип кабелю	в гірських районах і районах зі скельним грунтом при питомому опорі вище 500 Ом·м	у решті районів
Симетричні одночетвіркові й однокоаксіальні	0,2	0,3
Симетричні чотири- і семичетвіркові	0,1	0,2
Багатопарні коаксіальні	0,1	0,2
Кабелі зонового зв’язку	0,3	0,5

Якщо проектована кабельна лінія прокладається поблизу існуючої кабельної магістралі і відоме фактичне число пошкоджень останньої за час експлуатації терміном не менше 10 років, то при проектуванні захисту кабелю від ударів блискавки норма на допустиму щільність пошкоджень повинна враховувати відмінність фактичної і розрахункової пошкоджуваності існуючої кабельної лінії.

Допустима щільність nо пошкоджень проектованої кабельної лінії знаходиться множенням допустимої щільності з таблиці 48 на відношення розрахункової np і фактичної nф пошкоджень існуючого кабелю від ударів блискавки на 100 км траси в рік:

На існуючих кабельних лініях захисні заходи здійснюються на тих ділянках, де відбулися пошкодження від ударів блискавки, причому довжина ділянки, що захищається, визначається умовами місцевості (протяжністю височини або ділянки з підвищеним питомим опором грунту тощо), але приймається не менше 100 м у кожну сторону від місця пошкодження. В цих випадках передбачається прокладання блискавкозахисних тросів в землі.

Якщо пошкоджується кабельна лінія, яка вже має захист, то після усунення пошкодження проводиться перевірка стану засобів блискавкозахисту і лише після цього ухвалюється рішення про обладнання додаткового захисту у вигляді прокладання тросів або заміни існуючого кабелю на більш стійкий до розрядів блискавки. Роботи щодо захисту повинні здійснюватися відразу після усунення грозового пошкодження.

Захист оптичних кабельних ліній передач магістральної і внутрішньозонових мереж зв'язку

На проектованих оптичних кабельних лініях передачі магістральної і внутрішньозонових мереж зв'язку захисні заходи від пошкоджень ударами блискавки передбачаються в обов'язковому порядку на тих ділянках, де імовірне число небезпечних ударів блискавки (імовірна щільність пошкоджень) в кабелі перевищує допустиме число, вказане в таблиці 49.

Таблиця 49 – Допустима кількість небезпечних ударів блискавки на 100 км траси за рік для оптичних кабелів зв'язку

Призначення кабелю	В гірських районах і районах зі скелястим ґрунтом при питомому опорі понад 500 Ом×м	У решті районів
Кабелі магістральної мережі зв'язку	0,1	0,2
Кабелі внутрішньозонової мережі зв'язку	0,3	0,5

При проектуванні оптичних кабельних ліній передачі передбачається використання кабелів, що мають категорію блискавкостійкості не нижче наведених в таблиці 50, в залежності від призначення кабелів і умов прокладання. В цьому випадку при прокладанні кабелів на відкритій місцевості захисні заходи можуть бути необхідні вкрай рідко, тільки в районах з високим питомим опором ґрунту.

Таблиця 50 – Рекомендована блискавкостійкість оптичних кабелів для мереж зв’язку

Райони	Для магістральних мереж зв'язку	Для внутрішньозонових мереж зв'язку
З питомим опором ґрунту до 1000 Ом×м	I-III	I-IV
З питомим опором ґрунту понад 1000 Ом×м	I,II	I-III

На існуючих оптичних кабельних лініях передачі захисні заходи здійснюються на тих ділянках, де відбулися пошкодження від ударів блискавки, причому довжина ділянки, що захищається, визначається умовами місцевості (протяжністю височини або ділянки з підвищеним питомим опором ґрунту тощо), але повинна бути не менше 100 м у кожну сторону від місця пошкодження. В цих випадках необхідно передбачати прокладання захисних проводів.

Роботи щодо устаткування захисних заходів повинні здійснюватися відразу після усунення грозового пошкодження.

При прокладанні електричних і оптичних кабелів в населеному пункті, крім випадку перетинання і зближення з ПЛ напругою 110 кВ і вище, захист від ударів блискавки не передбачається.

Захист кабелів зв'язку, прокладених уздовж узлісся, а також поблизу об'єктів висотою більше 6 м (дерев, що стоять окремо, опор лінії зв'язку, лінії електропередач, щоглів блискавковідводів тощо) передбачається, якщо відстань між кабелем і об'єктом (або його підземною частиною) менше відстаней, наведених у таблиці 51 для різних значень питомого опору землі.

Таблиця 51 – Допустимі відстані між кабелем зв’язку і об’єктом висотою більше 6 м або його підземною частиною або заземлювачем

Питомий опір грунту, Ом·м	Найменша допустима відстань, м
До 100	5
Більше 100 до 1000	10
Більше 1000	15