Авторы: Ф. Х. Халилов, А. Н. Лехмус, В. И. Хохлов
"СтройПРОФИль" 6 (44)
По инструкции молниезащиты [1], объекты, подлежащие защите, подразделяются на обычные, специальные с ограниченной опасностью, специальные, представляющие опасность для непосредственного окружения, и специальные, опасные для экологии. В данной статье рассматриваются вопросы молниезащиты обычных объектов в виде зданий и сооружений, а также специальные объекты с ограниченной опасностью.
При прямых ударах молнии в наземные объекты и при междуоблачных разрядах молнии для упомянутых объектов возникают следующие негативные явления:
- жилые дома: отказ электроустановок, пожар и повреждение имущества, обычно небольшие повреждения оборудования вблизи места удара молнии или предметов, задетых каналом протекания тока молнии;
- театры, школы, универмаги, спортивные сооружения: отказ системы электроснабжения, (например, освещения), способный вызвать панику;
- банки, страховые компании, коммерческие офисы: отказ электроснабжения, отказ системы пожарной сигнализации, вызывающий задержку противопожарных мероприятий, потеря средств связи, сбой компьютеров с потерей данных;
- больницы, детские сады, дома для престарелых: отказ электроснабжения (например, освещения), способный вызвать панику; отказ системы пожарной сигнализации, вызывающий задержку противопожарных мероприятий, потеря средств связи, сбой компьютеров с потерей данных, необходимость помощи тяжелобольным и неподвижным людям;
- различные сельскохозяйственные фермы: пожары и заносы опасного высокого потенциала, потеря электропитания с большой вероятностью гибели животных из-за отказа электронной системы управления вентиляцией, подачи корма и т. д.
К специальным объектам с ограниченной опасностью относятся средства связи и пожароопасные объекты. При ударах молнии на этих объектах происходит недопустимое нарушение коммунального обслуживания (телекоммуникаций); возникает косвенная опасность пожара для соседних объектов.
Перечисленные выше случаи сопровождаются нанесением серьезного ущерба. При этом ущерб в рамках отдельных стран составляет гигантские суммы. По данным [2], за период 1984–85 гг. в землях Бавария и Рейланд-Поральц (Германия) в сельских местностях зарегистрировано 76 разрядов молнии в жилые помещения и 175 разрядов в хозяйственные постройки, причем 113 объектов сгорело дотла. Событием, сопровождающим молнию, является электромагнитное излучение (ЭМИ), вызывающее нарушение функционирования или выход из строя силового оборудования, электронных устройств измерения, управления и регулирования, бытовых электроприборов.
По статистическим данным Общества по страхованию от пожаров Австрии, в 1984 г. имело место 20 407 случаев повреждений, связанных с ЭМИ, при ударах молнии. Этот ущерб не велик по сравнению с ущербом от выхода из строя устройств информационной техники, оцениваемой в ФРГ в 500 млн. марок ежегодно. Характерно, что этот ущерб непрерывно возрастает.
Насколько велик единовременный ущерб от ударов молнии, иллюстрирует случай поражения молнией 18 мая 1983 г. высотного административного зданий в городе Кельне. Из-за отсутствия внутренней молниезащиты полностью вышли из строя 110 терминалов, 25 печатающих устройств, 25 графопостроителей и другое оборудование на сумму 2 млн. марок, а ущерб от выхода из строя нескольких ЭВМ составил 4 млн. марок. Как правило, системы выравнивания потенциалов оказывается недостаточно для зашиты электронного оборудования больших зданий, так как само оборудование должно иметь достаточную стойкость к импульсам грозовых перенапряжений.
В связи с быстрым ростом количества электронных бытовых устройств и электротехнических установок стало резко увеличиваться количество случаев поражения от непрямых разрядов молнии, являющихся следствием индуцированных перенапряжений. С целью выявления наиболее подверженных повреждениям объектов техники были подвергнуты статистической обработке 56 327 аварийных случаев. Выяснилось, что чаще всего в результате непрямых разрядов молнии выходят из строя электродвигатели, причем в 88% случаев речь идет о повреждении обмоток. Второй по частоте выходов из строя является группа телевизионных и антенных устройств (усилители сигнала для удаленных от телецентра районов). В телевизорах чаще всего выходят из строя сетевая часть и печатные платы, а также строчные трансформаторы, каскады высокого напряжения. Значительное число повреждений наблюдается у холодильных установок, поскольку они непрерывно подключены к сети и работают с максимальной нагрузкой именно в жаркие грозовые периоды. Сопоставимое с холодильными установками число повреждений отмечается у электропечей, стиральных машин и т. д. При этом преимущественно выходят их строя элементы управления и автоматики. В свете больших материальных потерь от непрямых разрядов молнии целесообразно широкое внедрение устройств молниезащиты.
При проектировании молниезащиты зданий и сооружений задаются необходимым уровнем защиты, причем она подразделяется на защиту от прямых ударов молнии (ПУМ) и защиту от вторичных воздействий молнии. Так, например, для обычных объектов, перечисленных выше, уровни защиты от ПУМ имеют четыре категории: I, II, III и IV, а их надежность защиты должна быть 0,98; 0,95; 0,90 и 0,80. Для специальных объектов уровень надежности защиты устанавливается в пределах от 0,9 до 0,999 по согласованию с органами государственного контроля.
Защита от прямых ударов молнии должна быть выполнена комплексом средств молниезащиты, который включает в себя молниеприемник (молниеотвод), токоотводы и заземлители. Для всех четырех категорий уровня защиты стальные молние-приемники, токоотводы и заземлители должны иметь в сечении не менее 50 кв. мм,медные — не менее 36, 16 и 50 кв. мм, алюминиевые — не менее 70,25 кв. мм (алюминий в качестве заземлителя в РФ не применяется).
В ряде случаев в качестве молниеприемников допускается применять металлические кровли, металлические конструкции крыши (ферма, арматуры и т. д.), металлические элементы в виде водосточных труб, технологические металлические трубы и резервуары. При этом толщина перечисленных естественных молниеотводов должна быть не менее 4, 5 и 7 мм, если они выполнены из железа, меди и алюминия соответственно. Что же касается токоотводов, то для уровня защиты I, II, III, IV расстояние между ними в среднем должно быть 10, 15, 20 и 25 м соответственно.
Заземляющие устройства жилых зданий и сооружений, как и все заземляющие устройства, применяемые в электроэнергетике и промышленности, могут состоять из искусственных и естественных заземлителей.
Не менее важное значение имеет защита от вторичных воздействий молнии. Причина организации такой защиты должны соответствовать рекомендациям МЭК (стандарт 61312).
Для обоснованной и надежной защиты зданий и сооружений от вторичных воздействий молний выделяются зоны, где применяются различные средства и методы:
- зона, где каждый объект подвержен прямому удару молнии, и поэтому через него может протекать полный ток молнии (в этой зоне электрическое и магнитное поля имеют максимальное значение);
- зона, где объекты не подвержены прямому удару молнии, но электромагнитное поле не ослаблено и также имеет опасное значение для электрооборудования и других объектов;
- зона, где объекты не подвержены прямому удару молнии, и ток во всех проводящих элементах внутри зоны меньше, чем в предыдущей зоне (в этой зоне поля могут быть ослаблены путем экранирования);
- зона, в которой могут быть требования, необходимые для дальнейшего ослабления полей, не опасных для защищаемых объектов.
Для ослабления индуцированных помех широкое применение нашло экранирование в виде внешнего экранирования, рациональной прокладки кабельных линий и экранирования линий питания и связи. Для организации первого требования экранирования должны быть максимально использованы металлические элементы объекта, объединенные между собой. В ряде случаев достаточно эффективно использование штукатурки, содержащей порошки различных металлов. Во втором случае для организации экранирования кабели должны иметь металлические экраны, заземленные на обоих концах и соединенные с системой молниезащиты, в том числе на границах зон. Для выполнения третьего требования провода электропитания и линии связи должны быть проложены в заземленных трубах.
Кроме того, для обеспечения молниезащиты от вторичных воздействий молний должно быть сооружено соответствующее заземление. Рекомендации по этой части подробно изложены в инструкции [1].
И, наконец, для повышения надежности защиты от вторичных цепей обязательно должны быть предусмотрены активные аппаратные средства защиты от перенапряжений. По имеющимся данным [2], для этого применяют различные виды «грубой» и «тонкой» защиты. Первая предусматривает газоразрядники, ограничители перенапряжений и т. д. Вторая — комплекс различных защитных аппаратов, в том числе мощные диоды Зенера. Эти устройства должны быть установлены в месте пересечения линий электроснабжения, управления, связи, телекоммуникаций, границ двух зон экранирования. При этом названные устройства защиты от перенапряжений должны обеспечить координацию изоляции.
Таким образом, при проектировании и строительстве зданий и сооружений должны быть предусмотрены мероприятия по защите от прямых ударов молний и защите от вторичных воздействий.
Литература
- Инструкция по устройству молниезащиты зданий, сооружений и промышленных коммуникаций. — СПб: Издательство «ДЕАН», 2005.
- Горюнов А. К., Таджибаев А. И., Халилов Ф. Х. Электромагнитная совместимость в сетях низкого напряжения и меры борьбы с ее нарушениями: Учебное пособие. - СПб: Издательство Петербургского энергетического института повышения квалификации руководящих работников и специалистов (ПЭИПК), 2002.