Четыре шага в построении системы молниезащиты

В апреле 2018 года состоялась VI Российская конференция по молниезащите, в рамках которой специалисты в очередной раз обсудили методы проектирования и стандарты в отрасли. По результатам таких встреч, проходящих раз в два года, представляются предложения по усовершенствованию существующего нормирования. Эксперты рекомендуют комплексно подходить к проектированию молниезащиты. Как отметил д. т. н., профессор Эдуард Меерович Базелян, она должна включать правильную организацию защиты от прямых ударов молнии, оптимизацию системы транспортировки тока к заземлителям, рациональное устройство и расположение заземляющих электродов. В совокупности данные шаги существенно ослабят электромагнитное поле атмосферного разряда и снизят грозовые перенапряжения вплоть до безопасного уровня.

Шаг первый: оптимальная трассировка

Комплексная молниезащита состоит из двух частей:

• внешней системы, включающей молниеприёмники, токоотводы, заземлители, которая принимает разряд молнии в объект или предотвращает с вероятностью до 98 % последствия, связанные с прямым ударом. Может быть пассивного (традиционный молниеотвод) или активного (перехватывающего молнию) типа;
• внутренней системы, которая защищает от вторичных воздействий молнии и состоит из элементов экранирования, уравнивания потенциалов, устройств защиты от импульсных перенапряжений (УЗИП).

Рис. 1. Распределение потенциала в окрестности заземлителя, состоящего из трёх вертикальных стержней длиной по 3 м, расставленных по прямой с шагом 5 м и соединённых горизонтальной полосой на глубине 0,5 м¹

При проектировании молниезащиты важно обратить внимание на её расположение относительно инженерных сетей здания. Если рядом с заземлителем проходят подземные коммуникации, то на небольших расстояниях они получают потенциал от заземлителя и играют роль проводника, принимая на себя часть разряда молнии. Передача высокого напряжения особо сильна в случае трубопроводов, выполненных из труб с хорошо проводящей жидкостью внутри.

На рис. 1 видно, что даже при расстоянии 15 метров потенциал составит около 15 % от напряжения на токоотводе. Согласно закону Ома,

При токе молнии 20 кА и сопротивлении 10 Ом потенциал на заземлителе составит 200 кВ, а на расстоянии 15 м от него будет приблизительно равен 30 кВ. Поэтому основной принцип при выборе оптимальной трассировки наземных и подземных электрических цепей объекта — максимально удалить коммуникации от заземлителей молниеотводов.

Также при проектировании молниезащиты важно помнить о правильной пространственной ориентации электрических цепей. Следует размещать цепь перпендикулярно пути тока молнии, так как в этом случае перенапряжение намного меньше, чем при параллельном расположении.

Шаг второй: расчёт необходимого количества токоотводов

Роль токоотводов заключается в транспортировке тока молнии от молниеприёмника к заземлителю. В соответствии с инструкцией Минэнерго России по молниезащите зданий, сооружений и промышленных коммуникаций СО 153-34.21.122-2003, частота размещения молниеотводов по наружному периметру здания зависит от избранного уровня защиты.

Нормативные материалы, используемые при проектировании, монтаже и сертификации (категорировании) молниезащиты:

• «Инструкции по молниезащите зданий и сооружений» (РД 34.21.122-87);
• «Инструкции по молниезащите зданий, сооружений и промышленных коммуникаций» (СО-153-34.21.122-2003);
• ГОСТ Р МЭК 62305-1-2010. Менеджмент риска. Защита от молнии. Часть 1. Общие принципы;
• ГОСТ Р МЭК 62305-2-2010. Менеджмент риска. Защита от молнии. Часть 2. Оценка риска;
• МЭК 62305-3-2010. Защита от атмосферного электричества. Часть 3. Физические повреждения зданий, сооружений и опасность для жизни;
• МЭК 62305-4-2010. Защита от молнии. Часть 4. Электрические и электронные системы в зданиях (сооружениях);
• Правила устройства электроустановок (ПУЭ). Седьмое издание (утв. приказом Минэнерго РФ от 8 июля 2002 г. № 204).

Рис. 2. Распределение магнитного поля по радиусу цилиндрического объекта диаметром 50 м²

Однако количество токоотводов, предлагаемых нормативами, недостаточно, если рассматривать влияние электромагнитного поля на электрические сети здания. Увеличение числа токоотводов приводит к уменьшению электродвижущей силы магнитной индукции, возбуждаемой магнитным полем в любом контуре (кабели компьютеров, цепи управления микропроцессорной техникой).

Рассмотрим объект в виде кругового цилиндра диаметром 50 м с вертикальными молниеотводами, размещёнными с равным шагом на внешней стороне стены. Возьмём произвольную точку, расположенную на расстоянии 17 м от центра, и определим влияние на неё магнитного поля при различном количестве токоотводов. При минимально допустимых двух токоотводах отношение напряжённости H к полному току молнии I в выбранном месте приближается к 10^-2 м^-1. При использовании 24 молниеотводов H/I = 10^-5 м^-1, причём по направлению к центру цилиндра, данное значение будет снижаться. Пример показывает, что при большом количестве токоотводов магнитное поле существенно лишь около стен, а во внутреннем объёме здания стремится к нулю.

В обычных условиях — для прямоугольного строения — число токоотводов должно быть ещё выше. Поэтому необходимо использовать железобетонную арматуру стен. Последняя считается электрически непрерывной, если хотя бы 50 % стержней соединены болтами, сваркой или вязкой проволокой. Наименьшие переходные сопротивления, находящиеся в пределах нормируемых 0,05 Ом, обеспечивает экзотермическая сварка.

Токоотвод должен быть:

• вертикальным и прямым, обеспечивая кратчайший путь тока, без петель;
• располагаться на безопасном расстоянии от оконных и дверных проёмов;
• максимально защищён от коррозии и механических повреждений;
• надёжно соединён с молниеприёмником;
• прикреплён к поверхности, которая не загорится от нагревания;
• защищён от механических повреждений и вандализма.

Шаг третий: экранирование электрической цепи

Металлическую оболочку провода правомерно считают эффективным электромагнитным экраном. Обоснованно применять во всех токоприёмниках, где есть дорогое оборудование, кабель LICON с оболочкой, которая не даёт возможности паразитному току выйти за пределы кабеля. Данные проводники необходимы и в токоотводах, так как именно на них происходит наибольшее количество утечки наведённых токов.

Рис. 3. Эллиптический экран

Однако металлическая оболочка не гарантирует полную защиту от воздействия грозовых перенапряжений.

Рассмотрим случай экранированного провода эллиптического сечения (рис. 3). Если жила 1 расположена в месте с максимальной погонной плотностью, а жила 2 — с минимальной, то их напряжения относительно оболочек получатся:

где ρ, Ом*м — удельное сопротивление оболочки; d, м — её толщина; I_M, А — ток; a и b, м — расстояние от центра до жил 1 и 2 соответственно.

Напряжение между жилами:

Следовательно, любая разница между радиусами оболочки ведёт к появлению перенапряжения между внутренними жилами. Таким образом, всегда предпочтительнее использование экрана кругового сечения.

Шаг четвёртый: выбор устройства защиты от импульсных перенапряжений

Кроме атмосферных (результат воздействия молнии), импульсные перенапряжения бывают электростатическими и коммутационными, возникающими при резком изменении установившегося режима работы электрической сети. Следствием любого из них может стать пробой изоляции, выход из строя электрических приборов и возникновение пожара. Эффективная защита от всех типов импульсных перенапряжений — УЗИП на основе варисторов или разрядников.

Основные требования к УЗИП:

• снижение перенапряжения до безопасного уровня;
• быстродействие;
• совместимость с защищаемым оборудованием;
• восстановление электрической цепи после затухания наводки;
• гашение сопровождающего тока;
• значительный ресурс.

Из-за конструктивных особенностей предпочтительнее варисторные УЗИП, поскольку они не дают выброса горячего ионизированного газа из дуговой камеры с её разрушением и могут быть установлены рядом с другим защитным оборудованием и в пластиковых щитах.

«Защита цепи всего объекта в немалой степени зависит от эффективности УЗИП. Понимая это, мы постоянно совершенствуем технические решения ограничителей импульсных напряжений с целью повышения их безопасности и надёжности срабатывания. В частности, запатентованная³ конструкция ОПС1 в каждом из полюсов предусматривает встроенный предохранитель для защиты от сверхтоков. Он состоит из калиброванной плавкой вставки, которая срабатывает при коротком замыкании, а также терморасцепителя, разъединяющего цепь при перегреве, — комментирует Антонина Чеснокова, менеджер по продукту Группы компаний IEK, одного из крупнейших производителей и поставщиков электротехники и светотехники. — Монолитная конструкция, исключающая контактное соединение варистора и присоединяемых проводников, снижает остаточное напряжение при возникновении импульсного перенапряжения и повышает долговечность устройства. Винтовые зажимы с непрямым прижатием жилы исключают чрезмерное давление и разрушение проводников».

Для того чтобы выбрать УЗИП для конкретной электрической цепи или организовать ступенчатую защиту, необходимо определить:

• допустимое перенапряжение, используя данные производителя;
• импульсную наводку на входе аппаратуры (расчёт или испытания);
• доли тока молнии, который может пройти через УЗИП;
• совместимость УЗИП с цепью.

Рис. 4. Схема ступенчатой защиты на базе устройств ОПС1 ГК IEK

Молниезащита всегда должна быть комплексной и обслуживаемой — как внешняя (активная и пассивная), так и внутренняя (УЗИП, уравнивание потенциалов), на главных щитах, возле каждого токоприёмника, а также на слаботочных сетях. Правильная расстановка молниеприёмников, оптимизированная система отвода в землю тока молнии, разумная трассировка внутренних силовых цепей объекта, экранирование кабеля и установка ограничителей перенапряжений помогут обезопасить здание от влияния грозовых разрядов. Также необходимо периодически проводить осмотр, тестирование и мониторинг состояния молниезащиты.

¹φ — потенциал в заданной точке, U_R — напряжение на заземлителе. Условия расчёта распределения потенциала.

²Где H — расчётное значение напряжённости магнитного поля в заданной точке, I — полный ток молнии.

³Патент на полезную модель № 129703.

Автор: Илья Полетаев, генеральный директор ООО «Электра», г. Екатеринбург.