Новости Электротехники 1(115) 2019





<  Предыдущая  ]  [  Следующая  >
Журнал №4 (64) 2010 год     
 

Компания DEHN+SÖHNE представляет вторую публикацию из цикла статей «Практика молниезащиты», подготовленного профессором Э.М. Базеляном.
Первая статья, посвященная оценке частоты прямых ударов молнии, была опубликована в «Новостях ЭлектроТехники» № 3(63) 2010.

Практика молниезащиты.
Степень опасности термического воздействия молнии

Эдуард Базелян, д.т.н., профессор,
зав. лабораторией молниезащиты ЭНИН им. Г. М. Кржижановского, г . Москва

Открыть в формате PDF

Для формирования взвешенного прогноза в отношении аварийных ситуаций на объекте и построения соответствующей системы молниезащиты не достаточно оценить число возможных ударов молнии, о котором мы говорили в предыдущей статье. Куда двигаться дальше?

В нашей стране есть нормативные документы по молниезащите. Одновременно действуют сразу две инструкции. «Инструкция по устройству молниезащиты зданий и сооружений» РД-34.21.122-87 выпущена более 20 лет назад. За это время человечество пережило научно-техническую революцию. Трудно найти все нужные ответы в столь старом документе.

Новое руководство почти с тем же названием «Инструкция по устройству молниезащиты зданий, сооружений и промышленных коммуникаций» СО-153-34.21.122-2003 утверждено в 2003 г. К сожалению, конкретными указаниями этот документ не перегружен, зато в нем есть раздел 2.3, который содержит параметры тока молнии, безусловно интересные для инженера.

Для каждого уровня защиты приведены соответствующие ему предельные параметры тока молнии.

Надежность первого, самого жесткого уровня защиты от прямых ударов молнии (ПУМ) должна обеспечиваться на уровне 0,98. Это значит, что только 2 молнии из каждой сотни могут повредить объект, на котором выполнена молниезащита I уровня. Для остальных трех уровней гарантируемая надежность защиты от ПУМ ниже – 0,95; 0,9 и 0,8 соответственно. Стало быть, для объекта с IV уровнем защиты в среднем опасны 20 молний из 100, ударивших в него.

Воздействие на проводники

Традиционно с молнией связывают в первую очередь опасность ее термического воздействия. Это кажется оправданным, особенно если учесть температуру плазменного канала молнии, которая оценивается примерно в 30 000 °С. Контакт с таким каналом вполне может привести к пожару, хотя сегодня опасность его не стоит переоценивать. Современные сооружения из монолитного или сборного железобетона не очень пожароопасны. Кирпичные тоже. Иное дело деревянные строения, лесные массивы или склады углеводородного топлива. К последним должно быть особое отношение.
Молния может разогреть проводники, по которым протекает ее ток, например, тот же самый молниеотвод. Опасна она и для металла кровли или металлической стенки резервуара. Для понимания реальной опасности нужны количественные оценки. Методика их получения очень проста.
Когда ток I проходит по проводнику с сопротивлением R, мощность потерь электрической энергии составляет P = RI2, а выделившаяся энергия W пропорциональна времени существования тока. Подсчет требует интегрирования мощности по времени. Если временной закон изменения тока известен, то задача не создает проблемы для современной вычислительной техники. Однако в первой статье было обещано не прибегать к вычислительным устройствам сложнее карманного калькулятора. Это обещание нетрудно выполнить. В Инструкции 2003 г. нормирован параметр, который называют удельной энергией W/R. В таблице 2.4 он измеряется в МДж/Ом и равен для I, II и III–IV уровней защиты соответственно 10; 5,6 и 2,5 МДж/Ом. Умножение удельной энергии на сопротивление проводника дает выделившуюся в нем энергию. Например, по существующим нормам стальной молниеприемник или токоотвод молниеотвода должны иметь площадь сечения не менее s = 50 мм2. При длине l их сопротивление будет равно:

,


где ρ ≈ 10–7 Ом·м – удельное сопротивление стали. Это дает R = 0,002 Ом на каждый метр длины проводника, в котором, следовательно, выделится энергия W = 2 x 104 Дж в расчете на I уровень молниезащиты, для которого нормировано W / R =107 Дж/Ом.

Чтобы получить температуру перегрева проводника, достаточно поделить эту энергию на массу металла m и его удельную теплоемкость с ≈ 470 Дж/(кг·град), что в итоге дает:

,


где γ ≈ 7800 кг/м3 – удельная плотность стали.

Результат несколько ошеломляет. Оказывается, предельная по энергоемкости молния с экстремальными параметрами, нормированными для I уровня молниезащиты, не в состоянии нагреть молниеприемник или токоотвод больше чем на 110 °С.

Воздействие на контактные соединения

Очень полезно повторить расчет для переходного сопротивления качественно выполненного контактного соединения (по данным РД-34.21.122-87, Rк = 0,03 Ом). Теперь выделившаяся энергия Wк = 107 x 0,03 = 3 x 105 Дж пойдет на нагрев контактов, масса которых вряд ли превысит mк = 0,5 кг (теплоотвод не учитывается из-за малого времени выделения энергии током молнии микросекундной длительности), а потому:

.


Вот почему в молниезащите стараются избегать простых контактных соединений, предпочитая им сварку или пайку.

Передовые электротехнические фирмы настойчиво работают над созданием болтовых зажимов с большими нажимными усилиями, которые гарантируют низкие переходные сопротивления в контактах. Понятно, что разработанные конструкции узкоспециализированы и предназначаются для соединения проводников конкретных типов.

Примером могут служить типичные болтовые крепления фирмы DEHN+SÖHNE, которая разработала и выпускает целый ряд таких устройств (фото 1 и 2). Специальная проверка показала, что даже после искусственного старения переходное сопротивление в них меньше 1 мОм.

Фото 1.
Болтовые крепления фирмы DEHN+SÖHNE
Фото 1.
Фальцевая клемма с увеличенной площадью контакта до 10 см2 фирмы DEHN+SÖHNE

Воздействие на металлическую стенку

Для того чтобы в полной мере представить опасность термического воздействия молнии, остается оценить эффект проплавления металлической стенки в месте ее контакта с каналом молнии. Для этого в Инструкции 2003 г. предусмотрен еще один расчетный параметр, который называют полным зарядом Qполн молниевой вспышки. С ним связана энергия, выделившаяся в канале. Наибольшая ее часть греет воздух вокруг канала и потому особого интереса не представляет. Металлическая стенка поглощает энергию только из тонкого приэлектродного слоя, в котором напряжение между облаком и землей в десятки миллионов вольт падает до UЭ ≈ 10–12 В.

Произведение WЭ = QполнUЭ дает энергию, непосредственно поглощаемую металлом. Даже у предельно сильной молнии в совокупности Qполн < 300 Кл, а значит WЭ < 3 000–3 500 Дж. Столь малая энергия может нагреть до температуры плавления и расплавить 3–3,5 г стали (удельная теплота плавления ~270 кДж/кг). Примерно столько металла надо изъять из стального листа толщиной 1 мм, чтобы получить отверстие радиусом 1 см. Стальную стенку толщиной 4 мм и более молния не проплавит ни при каких обстоятельствах. Об этом говорит многолетний опыт молниезащиты. Поэтому толстая металлическая обшивка безо всяких ограничений может использоваться в качестве молниеприемников. Дополнительной установки молниеотводов она не потребует. Для меди безопасная толщина стенки принимается равной 5 мм, для алюминия – 7 мм.

Таким образом, никто не отрицает, что разряд молнии – самое опасное проявление атмосферного электричества, но переоценивать его опасность, по крайней мере опасность его термического воздействия, все-таки не стоит.


Техническую информацию, руководство по установке и монтажу молниезащиты, каталоги и печатные материалы по продукции DEHN+SÖHNE можно получить в представительстве компании в России.

DEHN + SÖHNE
Представительство в России
109316, Москва, Волгоградский пр., 47, оф. 335
Тел./факс: (495) 663-35-73, 663-31-22
info@dehn-ru.com, www.dehn-ru.com





Очередной номер | Архив | Вопрос-Ответ | Гостевая книга
Подписка | О журнале | Нормы. Стандарты | Проекты. Методики | Форум | Выставки
Тендеры | Книги, CD, сайты | Исследования рынка | Приложение Вопрос-Ответ | Карта сайта




Rambler's Top100 Rambler's Top100

© ЗАО "Новости Электротехники"
Использование материалов сайта возможно только с письменного разрешения редакции
При цитировании материалов гиперссылка на сайт с указанием автора обязательна

Segmenta Media создание и поддержка сайта 2001-2019