Технические науки/5. Энергетика

Доцент Чесноков А.Л.

ФГБОУ ВПО «Марийский государственный университет», Россия

Создания эффективной системы внешней молниезащиты в сельской местности

На практике часто встречаются случаи, когда в результате прямого попадания молнии в здание возникает реальная угроза поражения электрическим током людей и животных, воспламенения, расплавления различных материалов, расщепления древесины и образования трещин в кирпиче и бетоне, заноса в здание высокого потенциала по инженерным коммуникациям (проводам линий электропередач, трубопроводам) с опасностью повреждения бытовой электроники. Но, даже в случае непрямого попадания индуцированного напряжения, волна перенапряжения распространяется по коммуникациям на многие километры и способна мгновенно привести к отказу дорогостоящего оборудования. По данным МЧС России, в 10% случаев возгорание происходит по причине грозовых разрядов.

Значительный материальный ущерб связан и с косвенным влиянием грозовых разрядов. Он обусловлен нарушениями технологических процессов вследствие отказа систем технологического управления, микропроцессорных и компьютерных устройств управления, регулирования, измерения, сигнализации и т.п.

Так, например, в эксплуатации имели место отказы и сбои программ компьютеров на расстоянии до нескольких километров от точки удара молнии.

С учетом косвенного ущерба примерно 10% потерь, фиксированных некоторыми страховыми компаниями, обусловленных грозовыми перенапряжениями. Эти потери стали возрастать с расширением использования чувствительной к помехам микропроцессорной и электронной техники и достигли максимума к 1990 году. Затем по мере развития средств защиты от перенапряжений не только в сетях высокого напряжения, но и в сетях низкого напряжения, телекоммуникационных линиях и устройствах ущерб, причиняемый молнией, начал снижаться, однако он остается существенно выше, чем 20-30 лет тому назад.

Многолетние наблюдения за грозовой деятельности показали рост случаев поражения объектов в сельской местности. По данным МЧС России только за июнь месяц 2012 года, вследствие грозовой активности произошло более 300 возгорание сельских домов и садовых участков, а так же имели случаи лесных пожаров. Необходимо отметить, что дома в сельской местности имеют слабую молниеупорность, следствии использования высоко возгораемого материала, а так же из за отсутствия специально построенных систем молниезащиты. В настоящее время, население сельской местности использует сложные бытовые приборы (телевизоры, стиральные машины, системы вентиляции и отопления, компьютерная техника). Вследствие этого потребление электроэнергии возросло в 2-3 раза, а система электроснабжения объектов в сельской местности устарела, и она не имеет защиту от вторичных воздействии молнии и от импульсных перенапряжений. Руководящие документы, используемые при проектировании молниезащиты сооружений в сельской местности, не отражают решение проблем по электромагнитной совместимости, и они устарели. Необходимы дальнейшие исследования по совершенствованию молниезащиты с увеличением возросших требований. Следовательно, защита объектов в сельской местности от поражений молнией – должна решаться комплексно.

Наиболее уязвимыми являются жилые здания, животноводческие помещения расположенные вблизи водоемов и на возвышенности. Прямые удары молнии в незащищенные здания и сооружения вызывают разрушения, взрывы и пожары, а так же поражать находящихся в них людей и сельскохозяйственных животных.

Так же наблюдается увеличение поражения деревьев находящихся вблизи водоемов либо в низменности. Во многих случаях происходит поражение молнией деревьев находящихся в низменности, близости грунтовых вод, либо вблизи водоёма. На основании проведенных наблюдений и экспериментальных исследований можно сделать вывод, что ориентация лидера молнии в большей степени зависит от глубины нахождения воды и рельефа местности. Многие эксперименты проведённые в лаборатории техники высоких напряжений Марийского государственного университета показывают, что объект поражения и его расположение полностью подтверждает вышеизложенную теорию. Так же данная теория находит подтверждение как и в случаях поражения объектов в сельской местности, так как они зачастую на имеют молниезащиту от прямых ударов молнии. И тем более от вторичных грозовых индуцированных перенапряжений, которые могут причинить большой ущерб сложной бытовой технике.

Недостатки молниезащиты объектов в сельской местности

Даже в XXI столетии объекты в сельской местности имеют слабую молниеупорность, так как в сельской местности отсутствуют специально построенная система молниезащиты. Это наряду с возросшей поражаемостью объекты в сельской местности представляет огромную опасность для жителей, сельскохозяйственных животных, бытовой техники.

Электроустановки жилых и сельскохозяйственных здании, имеющих защиту от прямого удара молнии, обычно не оснащены устройствами внутренней молниезащиты. В связи с тем, что c каждым годом все шире в быту, управлении, промышленности, механизации сельского хозяйства и связи применяют дорогостоящее и чувствительное к импульсным перенапряжениям информационно-техническое оборудование, телекоммуникационные и автоматизированные системы, то их сохранность и работоспособность требуют применения устройств от грозовых перенапряжений.

В следствие отсутствия в сельских сетях устройств защиты от грозовых и коммутационных перенапряжений при возникновении индуктированных перенапряжений при отдаленных ударах молнии то произойдет отключение линии на головном участке. Так как волна перенапряжений распространяется в обе стороны, то она достигнет потребителей и приведет к значительным ущербам.

На протяжении многих лет наблюдается увеличение интенсивности грозовой деятельности, что не предусмотрено нормативной документацией, и составляет 75 грозовых часов в год. Возросшее количество поражений объектов в сельской местности от прямых ударов молнии и от вторичных токов молнии, требует совершенствования системы внешней и внутренней молниезащиты зданий и сооружений.

Экспериментальные исследования поражаемости объектов от высоты ориентации лидера молнии приводятся на основании статистических данных поражаемости молнией наземных сооружений. Дается связь между радиусом стягивания молнии R₀ и высотой защищаемого объекта h. Значение R₀ рекомендуется принять равную 3h. Приведенное соотношение положено в основу формулы расчета ожидаемого количества поражений молнией объектов с заданными габаритами.

В большинстве источников по проектированию небольших строений (например, жилых домов в сельской местности с габаритами примерно 10м) выполнение молниезащиты вообще не рекомендуется даже при низкой огнестойкости здания. Эти утверждения теоретический и экспериментально не подтверждены. Поэтому для проверки гипотезы приведенной в литературе [5] о стягивании лидера молнии на наземные объекты при высоте лидера 3h и более, в лаборатории техники высоких напряжений Марийского государственного университета проведены экспериментальные исследования. Эксперименты проводились с учетом различных воздействующих факторов (Х₁- интенсивность дождя, Х₂ – скорость ветра, Х₃ - ионизация воздуха) влияющих на радиус стягивания лидера молнии. В качестве объекта защиты используются четыре сельских дома, которые имеют высоту 7 м, ширину 6 м, длину 11 м, крыша домов из оцинкованного железа и заземлены в одной точке. Масштаб размеров домов в модели уменьшен в 100 раз, аналогично высота ориентировки молнии так же уменьшена в 100 раз. Использовались следующие градация высоты ориентировки тока молнии до поражаемых объектов: 3h, 6h, 9h, т.е. 21, 42, 63 метра. Расположение защищаемых зданий и ориентация лидера молнии представлены на рисунке.

На данном рисунке здания не экранированы высокими деревьями и другими инженерными сооружениями, например опорами ВЛ 0,4 кВ. Эксперименты проводились в следующей последовательности; с учетом воздействия одного фактора в отдельности Х_1, Х_2, Х₃; с учетом воздействия двух факторов Х₁-Х₂, Х₂-Х₃; Х₁-Х₃ с учетом воздействия трех факторов Х₁- Х₂-Х₃.

Для указанного расположения зданий (на рисунке) без воздействующих факторов при высоте ориентировки лидера молнии 3h (21 м) здания не были поражены, а разряды происходили на земную поверхность с максимальным радиусом отклонения от контрольной точки 5 метров. При высоте ориентировки лидера 6h, были поражены дома №1 и №4, участок земной поверхности между домами №1 и №2 с максимальным радиусом отклонения 14 м. Далее проведены эксперименты при высоте ориентировки лидера молнии 9h, при этом были поражены дома №1, №2, №3. На рисунке показан план средств моделирования воздействующих факторов и объектов поражения с нанесением размеров и расстоянии. Макеты и расстояния были уменьшены в 100 раз методом электрографического моделирования.

Рисунок – Схема проведения эксперимента по выявлению воздействующих факторов: 1, 2, 3, 4 – макет дома (объекты поражения); 5 – вентилятор; 6 – пульверизатор установка; 7 – установка ультрафиолетового облучения.

Из проведённых исследований можно сделать выводы:

1. Выявлено влияние на радиус стягивания лидера молнии всех трех факторов.

2. Не подтверждены данные РД 34.21.122-87 [5] об ориентировке лидера молнии на защищаемые объекты при высоте лидера 3h.

3. Не выявлено экранирование большими деревьями высотой 3h защищаемых объектов при высоте ориентации лидера 3h.

4. Установлено уменьшение радиуса поражения при воздействии в отдельности фактора интенсивность дождя, скорости ветра, ультрафиолетового излучения.

5. Наибольшее поражение макетов домов наблюдалось при воздействии всех трех факторов.

6. Для жилых зданий в сельской местности имеют важное значение так же вторичное проявления токов молнии (индуктированные перенапряжения). При поражении высоких деревьев, сооружений и линий электропередачи 0,4 кВ имеющих гальваническую связь с домами, так как не разработаны вопросы электромагнитной совмести в домах сельской местности.

В основу проектирования и сооружения устройств молниезащиты должны быть положены:

1. Выбор рациональной системы молниезащиты дома с учетом его конструктивных особенностей, интенсивности грозовой деятельности, стадии сооружения дома, архитектурного облика.

2. Высококвалифицированные расчеты защитных зон, несущей способности конструктивных элементов, способов защиты от вторичных проявлений молнии, с учетом применения современных средств молниезащиты.

3. Правильный выбор материала для несущих конструкций, молниеприемника, токоотводов, заземлителей с учетом их долговечной надежной эксплуатации.

4. Максимальное использование в качестве элементов молниезащиты конструктивных элементов дома, других сооружений, которые могут быть использованы для молниезащиты.

5. Использование унифицированных конструкций (опоры ВЛ, фундаменты, металлические профили и т.п.), применяемых в народнохозяйственном строительстве.

6. Надежные методы выполнения электрических соединений всех элементов сооружений молниезащиты с применением стандартных изделий.

7. Минимальная стоимость возводимых молниезащитных устройств при максимальной эксплуатационной надежности, электро- и пожарной безопасности.

Применение зонной концепции позволяет защитить чувствительную аппаратуру от электромагнитных помех, вызываемых ударами разряда молнии , коммутаций, перенапряжений и иных источников помех. Зонная концепция не имеет ограничений и может применяться на электростанциях, подстанциях, зданиях с чувствительной аппаратурой, а так же в жилых зданиях и сооружениях и т.д.

Зонная концепция исходит из того, что первичная металлическая конструкция строительного сооружения используется или может быть использована в качестве экрана, следовательно, капиталовложения для нее не столь значительны.

В сферу ответственности зонной концепции входят вопросы, связанные с техникой молниезащиты, то есть требования, связанные с растеканием тока молнии и с электромагнитным полем тока молнии, с выравниванием потенциалов, и, естественно, определением пространственных областей, в которых электромагнитные условия, обуславливающие кондуктивные и полевые помехи, не опасны для электронного оборудования. Зонная концепция должна интегрировать все сегодняшние достижения в области ЭМС и облегчить выполнение требований стандартов.

ЭМО на жилых и общественных зданиях в значительной степени определяется состоянием ЗУ на этих объектах. Соответственно, диагностика заземляющих устройств – важная часть соблюдения зонной концепции.

Модернизация ЗУ по условиям ЭМС обычно направлена на снижение разностей потенциалов, которые могут возникнуть в пределах территории объекта при КЗ и молниевых разрядах и оказаться приложенными к изоляции вторичных цепей и (или) входам аппаратуры. Чем больше площадь объекта, тем сложнее обеспечить эффективное выравнивание потенциалов на всей его территории.

Подводя итоги проведенных исследований можно сделать следующие выводы, для создания эффективной системы внешней молниезащиты необходимо сочетание тросового молниеотвода с использованием крыши в системе молниезащиты. Система внутренней молниезащиты должна состоять из нескольких уровней. В распределительной сети необходима установка ОПН – 0,4кВ, в распределительном щите установка УЗИП, и непосредственно на потребителе.

При такой системе молниезащите обеспечивается защита объекта 95%.

Комплексная система молниезащиты может служить защитой зданий и сооружений как от прямых ударов молнии таки и от вторичных индуцированных перенапряжений.

Основной задачей по обеспечению молниезащиты объекта является грамотное сочетание защитных мероприятий, позволяющее достигнуть требуемого результата с максимальной надежностью и эффективностью.

Литература:

1. Соколов С.А. Заземление и экранирование зданий для размещения систем связи. Современный подход. «Электроника: наука, технология, бизнес», 4/2005.

2. Дьяков А.Ф. и др. Электромагнитная совместимость в электроэнергетике и электротехнике. М.: Мир, 2003.

3. Кужекин И.П., Ларионов В.П., Прохоров Е.Н. Молния и молниезащита // Москва.; Знак, 2003

4. Правила устройства электроустановок (ПУЭ) , 7-е издание

5. РД 34.21.122-87 "Инструкция по устройству молниезащиты зданий и сооружений".