Открыть в формате PDF

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

Практика молниезащиты. Оценка целесообразности защиты от воздействия молнии

Компания DEHN+ SÖHNE публикует новую статью из цикла «Практика молниезащиты», подготовленного для проектировщиков профессором Э.М. Базеляном.

Темами предыдущих материалов этого цикла были частота прямых ударов молнии, степень опасности ее термического и механического воздействия (см. «Новости ЭлектроТехники» № 3(63), 4(64) и 5(65) 2010).

Когда инженер приступает к проектированию молниезащиты, его больше всего интересует, насколько она реально необходима. Не зная степени риска, трудно понять, стоит ли вкладывать деньги в устройство молниеотводов или в расстановку в электрических цепях средств ограничения перенапряжений. Обращение к отечественным нормативам по молниезащите здесь мало помогает проектировщику.

В «Инструкции по устройству молниезащиты зданий и сооружений» РД 34.21.122-87 оперируют тремя категориями защиты, не поясняя, о какой надежности идет речь в каждой из них. Более новый норматив «Инструкция по устройству молниезащиты зданий, сооружений и промышленных коммуникаций» СО-153-34.21.122-2003 вместо категорий нормирует 4 уровня защиты. Для них указана обеспечиваемая надежность защиты от прямых ударов молнии, начиная от 0,98 для I уровня, заканчивая 0,8 для IV уровня. Однако инженеру приходится гадать, как использовать эти цифры при проектировании молниеотводов.

Проблема усложняется, когда степень повреждения объекта может сильно зависеть от параметров тока молнии, в первую очередь от амплитуды импульса или от крутизны его фронта. О том, что такая зависимость существует, можно догадаться, исходя из материалов разделов 2.3.2–2.3.4 Инструкции СО-153-34.21.122-2003, где для каждого уровня защиты указаны предельные значения этих параметров. В большинстве случаев проектировщику от этого не легче, так как важно знать не только нормированные параметры, но и вероятность их превышения разрядами молнии на территории защищаемого объекта.

Расчетные оценки

В идеале схема расчетных оценок может быть следующей. Сначала вычисляется частота ударов молнии в объект с учетом и без учета защитного действия спроектированных молниеотводов. Затем, исходя из конструкции объекта, его технологических функций и структуры электрических цепей, определяются параметры тока молнии, способные вызвать недопустимые повреждения.

Оценка такого рода должна выполняться отдельно для разрядов молнии, перехваченных молниеотводами, и для разрядов, прорвавшихся мимо молниеотводов непосредственно к объекту, потому что эти ситуации могут сильно отличаться по опасности воздействия.

Например, при ударе в отдельно стоящий молниеотвод ток молнии способен повредить электрические цепи только через наведенные в них электродвижущие силы (ЭДС) магнитной индукции, а при непосредственном поражении объекта часть тока может попасть в жизненно важную цепь.

Когда опасные токи известны, остается определить вероятность их появления в канале молнии. Решение этой ключевой проблемы связано с исключительно большими трудностями. Теория молнии способна более или менее достоверно описать физические процессы ее развития, но бессильна, когда требуется предсказать параметры молниевого тока в конкретных условиях. Слишком много внешних факторов пришлось бы для этого учитывать.

Сегодня специалисты не сомневаются, что ток молнии зависит от электрического заряда грозового облака и его полярности, высоты грозовой ячейки над поверхностью земли, траектории канала, числа одновременно формирующихся ответвлений, высоты пораженного объекта. Список можно было бы продолжить, но даже перечисленное невозможно учесть в теории. Остается рассчитывать только на измерения, которых до обидного мало.

Почти 100 лет современных наблюдений за молнией не принесли и тысячи полноценных прямых осциллографических записей тока. Достоверной статистики они не обеспечивают. Трудно дифференцировать записи тока молнии для объектов различной высоты или для ударов, перехваченных молниеотводом либо прорвавшихся мимо него в зону защиты. Не хватает фактических данных для построения статистических распределений в различных регионах земного шара, скажем, в тропиках, средней полосе или приполярных районах.

Перспективными представляются дистанционные методы, в которых параметры тока молнии синтезируются по регистрациям магнитного поля в дальней зоне. К сожалению, их погрешность слишком велика, поэтому приходится идти на вынужденное упрощение и усреднение статистики, не всегда обоснованное.

Оценка риска по методике МЭК

Сегодня Международная электротехническая комиссия (МЭК) использует обобщенную независимо от географических координат местности статистику токов молнии, собранную и обработанную СИГРЭ (Международным советом по большим электрическим системам высокого напряжения). Для приближенного описания практически всех параметров молнии использован логнормальный закон:

,

где P(Y) – вероятность превышения рассматриваемым параметром молнии заданного значения Y;
σ_lg и (lgY)_ср – соответственно стандарт распределения и среднее значение логарифмов этого параметра, которые и определяют характер распределения.

На специальной статистической бумаге каждое из распределений представляется в виде прямой линии. Исключение сделано только для распределения амплитуд тока первых компонентов отрицательной молнии, которое для повышения точности интерполяции представлено двумя прямолинейными отрезками.

На рис. 1 показано, как приблизительно выглядит распределение амплитуд тока и длительностей фронтов его импульсов для компонентов молний. Амплитуды тока выражены в килоамперах, временные параметры – в микросекундах. Предполагается, что между этими параметрами нет корреляции и они могут рассматриваться как статистически независимые величины.

Расчетными кривыми легко пользоваться.

Рис. 1. Расчетные кривые параметров для первых компонентов отрицательных (1) и положительных (2) молний, а также для последующих компонентов (3): распределение амплитуд тока молнии – красные кривые; распределение длительностей фронтов импульсов тока молнии – синие кривые.

Пример 1.

Положим, оценка показала, что ожидаемое число ударов молнии в защищаемый объект N_мол = 0,1 удара в год (порядок расчета см. в журнале «Новости ЭлектроТехники» № 3(63) 2010), а по условиям растекания опасным считается ток молнии амплитудой 50 кА. Оценим вероятность его появления для первых компонентов, наибольших по амплитуде.

По кривым 1 и 2 вероятность превышения опасного тока у отрицательных молний близка к 18%, а у положительных – примерно 33%. Однако, поскольку доля положительных молний в Европе принимается равной 10%, суммарное значение искомой вероятности определяется как P_I = 0,18 х 0,9 + 0,33 х 0,1≈ 0,2. Исходя из этого частота опасного воздействия молнии: N_оп = N_молP_I = 0,1 х 0,2 = 0,02 удара в год, что приблизительно соответствует 1 удару за 50 лет эксплуатации объекта.

Пример 2.

Допустим, для расчета электромагнитных наводок надо определить частоту появления импульсов тока первого компонента, которые при амплитуде свыше 50 кА характеризуются длительностью фронта меньше 2 мкс. Для отрицательных молний приблизительно 92% имеют более длинный фронт и, следовательно, вероятность импульса с фронтом короче 2 мкс оценивается здесь как P_Ф = 1 – 0,92 = 0,08 (синяя кривая 1). Аналогичная оценка для положительных молний дает практически такую же величину PФ = 1 – 0,92 = 0,08 (синяя кривая 2).

Таким образом, вероятность молнии, ток которой больше 50 кА, а фронт меньше 2 мкс, составляет P = P_IP_Ф ≈ 0,2 x 0,08= 0,016. Их ежегодно ожидаемое число составит N_оп = N_молP = 0,1 х 0,016 = 0,0016, то есть приблизительно один удар за 1 : 0,0016 ≈ 625 лет.

В нормативе Международной электротехнической комиссии представлены значения стандартов распределения и средних значений логарифма для всех практически значимых параметров молнии, а для большинства из них построены и кривые распределения. С их помощью легко определить, насколько часты не просто удары молнии, а удары, опасные для защищаемого объекта.

Программа DEHNsupport

В стандарте МЭК 62305, часть 2, также приводятся данные для комплексного анализа риска объекта в результате воздействия прямых ударов молнии и электромагнитных наводок. Во внимание принимаются такие факторы, как угроза человеческой жизни, угроза нарушения работы инженерных систем, потери культурных и материальных ценностей.

Несмотря на достаточно четкие указания, приведенные в этом стандарте для анализа риска, решить подобную задачу весьма сложно, так как проектировщику приходится оперировать весьма большим количеством данных. Для облегчения расчета немецкая компания DEHN + SÖHNE – один из лидеров в области комплексной защиты от воздействия разрядов молний – предлагает специализированное программное обеспечение DEHNsupport.

Программа позволяет легко и быстро оценить риск поражения молнией объекта, а также находящихся в нем людей и установленного оборудования. Для этого проектировщику достаточно ввести информацию о здании (размеры, расположение относительно других сооружений, наличие или отсутствие системы внешней молниезащиты), характеристики входящих линий и коммуникаций и выбрать факторы риска, которые должны приниматься во внимание в данном случае. Всё остальное берет на себя компьютер.

В результате на экране монитора отображаются численные значения риска для различных составляющих и его суммарная величина. Выбирая различные мероприятия в области молниезащиты, можно добиться того, чтобы суммарный риск был меньше допустимого для данного сооружения.

Программа отличается удобным интерфейсом, функциональностью и существенно сокращает время, нужное инженеру для того, чтобы принять решение о необходимости применения системы защиты объекта от молний.

Программное обеспечение DEHNsupport, разработанное компанией DEHN + SÖHNE, в руках проектировщика – мощный инструмент для оценки целесообразности и экономической обоснованности молниезащиты.

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