Молниезащита

Обсуждая проблемы молниезащиты на конференции, научный комитет посчитал наиболее важным совершенствование отечественной нормативной базы. Интерес к проблеме нормирования велик, а состояние нормативной базы мало кого устраивает. Дело даже не в двоевластии не слишком согласованных между собой документов: РД 34.21.122-87 «Инструкция по устройству молниезащиты зданий и сооружений» и СО-153-34.21.122-2003 «Инструкция по устройству молниезащиты зданий, сооружений и промышленных коммуникаций».
Значительно больше проектировщиков озадачивает принципиальное игнорирование в НТД как последних достижений, так и принципиально возросшего объема требований в организации молниезащиты.
О тех моментах, которые необходимо учесть при разработке нового документа, – в материале Эдуарда Мееровича Базеляна.

Эдуард Базелян, д.т.н., профессор, Энергетический институт им. Г. М. Кржижановского, г. Москва

МОЛНИЕЗАЩИТА ЗДАНИЙ И СООРУЖЕНИЙ
Необходимость новой НТД и требования к ней

Конечно, вряд ли можно надеяться, что, обратившись к требованиям национального нормативного документа, проектировщик найдет в нем исчерпывающие указания по защите конкретного объекта от прямых воздействий молнии и от ее электромагнитного поля. Но там должны обязательно быть как основные рекомендации по выбору защитных средств, так и методологическая основа сформированных предписаний.

К сожалению, обе действующие отечественные инструкции по молниезащите (РД 34.21.122-87 «Инструкция по устройству молниезащиты зданий и сооружений» [1] и СО-153-34.21.122-2003 «Инструкция по устройству молниезащиты зданий, сооружений и промышленных коммуникаций» [2]) малопригодны для этой цели. Рассмотрим эти документы подробнее.

ПАРАМЕТРЫ ТОКА МОЛНИИ

Начинать приходится с параметров тока молнии, подверженных очень большому статистическому разбросу. От величины тока и скорости его изменения во времени зависит большинство опасных воздействий атмосферного электричества. Тем не менее в [1] не фигурирует даже понятие о токе молнии, а в более позднем документе [2] указаны только предельные значения тока для каждого уровня молниезащиты, по которым предлагается оценивать грозовые перенапряжения. О связи вероятности прорыва молнии к защищаемому объекту с ее током даже не упоминается, хотя именно эта связь представляет наибольший интерес для заказчика и проектировщика молниезащиты.

Невзирая на предписание [2] выполнять компьютерные расчеты эффективности молниеотводов, проектировщики, как правило, продолжают выбирать их по зонам защиты. В нормативных документах эти зоны даются только для одиночных и двойных молниеотводов. Проектировщики не рассматривают коллективное действие большого числа молниеотводов, хотя их использование позволяет очень существенно понизить высоту молниеприемников (рис. 1). Эффективность такого подхода состоит не только в снижении стоимости молниезащиты, пусть даже весьма заметном. Несопоставимо большее значение приобретает подавление эффекта стягивания молний в направлении высотных сооружений.

Рис. 1. Эффективность защиты объекта 50х50х20 м стержневыми молниеотводами, возвышающимися на 5 м и удаленными от объекта на 10 м

Как известно, число ударов молнии в стержневой молниеотвод пропорционально квадрату его высоты. Молниеотвод установлен на защищаемом объекте или вблизи его. Значит, снижение высоты резко сокращает число близких разрядов молнии, а следовательно, и число опасных электромагнитных воздействий на коммуникации защищаемого объекта. Значимость этого обстоятельства трудно переоценить при сегодняшнем массовом внедрении микропроцессорной техники.

Вот почему нормативный документ по молниезащите нового поколения обязательно должен содержать апробированную методику расчета эффективности защиты от прямых ударов молнии, пригодную для системы из произвольного числа молниеотводов любого типа и высоты.

Принимая на себя ток молнии, молниеприемник никак не меняет её электромагнитного поля. Поэтому важное значение приобретает организация правильной транспортировки молниевого тока в землю. Для снижения магнитного поля в защищаемом объекте целесообразно распределять ток молнии по максимально возможному числу токоотводов – естественных либо проложенных специально. Увеличивая число токоотводов, удается эффективно ограничивать напряженность магнитного поля внутри объекта (рис. 2) и тем самым снижать уровни электромагнитных наводок в его электрических цепях.

Рис. 2. Распределение напряженности магнитного поля по диагонали здания 45х15х60 м. Отсчет расстояния от угла к центру

1 – токоотводы проложены по углам здания;
2 – в роли токоотводов арматура стеклопакетов шириной 1,5 м

Решение задачи о распределении импульсного тока молнии по произвольной системе проводников не является проблемой. Теоретические основы расчета и типовые алгоритмы давно разработаны.

Однако в отличие от практики проектирования ВЛ и ПС высокого напряжения, для которых успешно применяются соответствующие руководящие указания, низковольтные цепи полностью обойдены вниманием директивных документов. Методических разработок здесь нет, а потому проектировщикам не остается иного пути, кроме как руководствоваться рекомендациями стандарта по молниезащите МЭК 62305 [3], по которым скорость роста напряженности магнитного поля молнии, а следовательно, и электромагнитная наводка, принимается пропорциональной крутизне фронта ее тока AI:

. (1)

В действительности элементарная формула (1) справедлива для бесконечно длинного проводника с одинаковым по величине током. В такой роли канал молнии можно представить далеко не всегда. Волна тока зарождается там при контакте молнии с землей или с заземленным сооружением и распространяется вверх к облаку со скоростью 1/2–1/3 скорости света. В результате магнитное поле молнии приобретает более длительный фронт, нежели ее ток. Различие проявляется в тем большей степени, чем дальше удалена от проводника с током точка регистрации магнитного поля (рис. 3).

Рис. 3. Динамика изменения во времени напряженности магнитного поля от импульса тока молнии 0,25/100 мкс в точке на высоте 50 м над уровнем земли. Удаление точки от канала молнии указано на кривых

Второй причиной удлинения фронта импульса магнитного поля является очень заметное затухание и деформация волны тока при ее распространении по плазменному каналу молнии конечной проводимости [4]. В итоге оценки по формуле (1) могут привести к многократному превышению расчетного значения индуцированных перенапряжений, а вместе с тем к немотивированным затратам на молниезащиту. Неблагоприятную ситуацию такого рода легко устранить, если ввести в практику проектирования руководящие указания по расчету индуцированных перенапряжений в цепях низкого напряжения.

СОПРОТИВЛЕНИЕ ЗАЗЕМЛЕНИЯ МОЛНИЕОТВОДА

Все попытки обнаружить связь эффективности защитного действия молниеотвода с его сопротивлением заземления заканчивались неудачей. Молниеотвод притягивает к себе молнию практически с равной вероятностью при своем сопротивлении заземления и в 1, и в 100 Ом. Невзирая на это, сопротивление заземления обоснованно считается значимым нормируемым параметром молниезащиты.

Закономерен вопрос о цели нормирования. На величину электромагнитных наводок в электрических цепях защищаемого объекта сопротивление заземления прямым образом не влияет, а перенапряжения прямого удара значимы в основном для ВЛ высокого напряжения. Поэтому целевым показателем нормирования сопротивления заземления молниеотводов следовало бы считать электробезопасность. Здесь оба документа хранят полное молчание. Исключением является только рекомендация [1] об изоляционном асфальтовом покрытии грунта в местах большого скопления людей у высоких сооружений.

Надо отчетливо понимать, что рекомендации по устройству заземлителей молниеотводов в этой инструкции не могут гарантировать безопасности людей и животных. На рис. 4 в качестве примера показаны расчетные значения напряжения шага в окрестностях фундаментной железобетонной сваи длиной 5 м и радиусом 0,2 м, которую по [1] можно использовать как заземлитель стержневого молниеотвода. Расчет проведен для грунта удельным сопротивлением 300 Ом·м, достаточно типичного для средней полосы РФ. Непосредственно у фундамента напряжение шага превышает 100 кВ даже для средней по силе молнии с током 30 кА, что вряд ли можно считать допустимым.

Рис. 4. Расчетные значения напряжения шага при растекании тока молнии I_M от вертикальной железобетонной сваи длиной 5 м в грунте с ρ = 300 Ом·м

Немногим лучше положение у фундаментов жилых и офисных зданий даже при большом объеме заглубленных в грунт железобетонных конструкций. Непосредственно у стены здания напряжение шага способно превысить 10 кВ.

Проектировщику остается гадать, как относиться к полученной цифре. Предельно допустимое напряжение шага в отечественных нормативах по электробезопасности ограничено 650 В при минимальном времени воздействия 0,01 с. Для разряда молнии оно на 2 порядка меньше. Необходим пересчет.

Специалисты в области техники высоких напряжений вряд ли предложат нечто иное, кроме пересчета на основе равенства выделяемой энергии, что приведет к значению 6500 В. Насколько это обосновано, решать физиологам. Без их оценки нормирование заземляющих устройств, исходя из напряжения шага, оказывается невозможным, хотя именно этот вид воздействия до сих пор остается главным фактором массового поражения людей в грозовой обстановке.

В новом нормативном документе по молниезащите нормирование напряжения шага должно быть обязательным, равно как и методические указания по расчету и измерению этого параметра для заземляющих устройств произвольной конфигурации. Учитывая возможности современной вычислительной техники, пора закончить с грубыми оценками сопротивления заземления при помощи коэффициентов использования неизвестного происхождения, тем более что для вычисления напряжения шага они просто непригодны.

ОБ АКТИВНЫХ МОЛНИЕОТВОДАХ

Современная физика знает методы управления траекторией молнии, но пока не может предложить их практической молниезащите из-за дороговизны и недостаточной надежности. Свободную нишу занимают активные молниеотводы различной конструкции, но одинакового принципа действия. Все они претендуют на ускорение развития встречного лидера от молниеотвода за счет подачи высоковольтного импульса на его вершину.

Принцип управляющего воздействия сомнений не вызывает. Проблему создает обеспечение требуемых амплитуды и длительности генерирующего импульса. При ограниченном объеме активного молниеотвода в нем невозможно разместить источник, способный формировать напряжение в сотни киловольт в течение 0,5–1 мс. Реальная длительность импульса оказывается примерно в 100–200 раз короче. Последствия его воздействия хорошо известны. Мощная стримерная вспышка, которую провоцирует такой импульс, не только не стимулирует формирование встречного лидера, но и останавливает его в результате экранирующего действия объемного заряда, внедренного стримерами. Эффект получается обратным. Судя по последним полевым и стендовым испытаниям, активный молниеотвод стягивает на себя искровые каналы существенно менее эффективно, нежели обычный той же высоты [5, 6].

В подобном положении безразличное отношение нормативных документов к существующим активным молниеотводам недопустимо. Их использование на территории РФ должно быть официально запрещено.

МОЛНИЕЗАЩИТА ВЗРЫВООПАСНЫХ ОБЪЕКТОВ

Собственно канал молнии не является единственным порождением атмосферного электричества. Специалистам хорошо известны по крайней мере два газоразрядных процесса, которые представляют реальную опасность для современных технических объектов с большими объемами углеводородного топлива либо каких-то иных легко воспламеняющихся или взрывчатых веществ.

Накоплено достаточно много фактов регистрации искровых каналов, скользящих от точки удара молнии вдоль поверхности грунта на расстояние в десятки метров. Такие каналы несут заметную долю тока молнии и реально опасны. Правда, считалось, что они характерны исключительно для грунтов с высоким удельным сопротивлением. Это утверждение было опровергнуто недавними исследованиями объединенного коллектива специалистов ТРИНИТИ, ОИВТ РАН и ЭНИН [7].

При помощи специально созданного мобильного генератора импульсных напряжений (ГИН) с рекордными параметрами (энергоемкость 4 МДж при выходном напряжении 2 МВ), удалось нагрузить током в 85 кА заземлитель с исходным сопротивлением около 25 Ом в грунте удельным сопротивлением всего 100 Ом·м. При этом временные параметры импульса оказались сопоставимыми с параметрами импульса тока первого компонента отрицательной молнии. При растекании такого сильного и длительного тока сопротивление заземления снизилось более чем в 5 раз (рис. 5). Анализ показал, что столь существенный эффект возможен только при развитии не менее 8 многометровых искровых каналов. Их формирование заняло около 20 мкс.

Рис. 5. Динамика изменения во времени сопротивления заземления ГИН при растекании импульсного тока амплитудой 85 кА в грунте с удельным сопротивлением 100 Ом·м

Динамика изменения сопротивления заземления при растекании больших токов молнии никак не отображена в практике молниезащиты. Необходимость ее учета сегодня очевидна, как и целесообразность нормирования средств подавления искровых каналов или управления траекториями их развития. Ничего подобного в отечественных нормативных документах нет.

НЕЗАВЕРШЕННЫЕ ИСКРОВЫЕ РАЗРЯДЫ

Другой «нетипичной» проблемой молниезащиты надо считать каналы незавершенных искровых разрядов, которые формируются от внешних обстроек сооружений с сильным локальным усилением электрического поля грозового облака. Даже при длине каналов в несколько сантиметров их появления достаточно для поджига горючих газовых смесей над дыхательными клапанами резервуаров с углеводородным топливом. Предпринимаемые попытки подавления незавершенных разрядов экранированием обстроек малого радиуса оказались бесперспективными из-за всегда остающейся возможности их случайного образования. В роли такой неоднородности может оказаться даже птица, севшая, например, на ограждение резервуара.

Единственным конструктивным средством борьбы с пожарами, спровоцированными вспышкой горючей газовой смесинад дыхательным клапаном, нужно считать высоконадежную систему огнепреграждения, исключающую проникновение пламени во внутренний объем резервуара за время горения газового выброса. Это еще одна задача, решение которой остро необходимо, но поиск этого решения – вне компетенции специалистов по грозовому электричеству.

Создание эффективных огнепреградителей позволит полностью отказаться от внешней молниезащиты резервуарных парков с углеводородным топливом, поскольку стальная стенка современных резервуаров толщиной более 4 мм делает возможным ее использование в качестве молниеприемника. Беспокоиться придется только о внутренней молниезащите, решающей проблему ограничения грозовых перенапряжений.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Электрические цепи современных объектов сложны сами по себе. Нормативный документ нового поколения должен рассматривать внешнюю и внутреннюю молниезащиту как единый комплекс взаимосвязанных технических мероприятий. Правильная организация защиты от прямых ударов молнии, оптимизация системы транспортировки тока к заземлителям, рациональное устройство и расположение заземляющих электродов в совокупности могут существенно ослабить электромагнитное поле молнии в защищаемом объекте и снизить грозовые перенапряжения вплоть до безопасного уровня.

Столь же эффективной может быть правильная трассировка электрических цепей защищаемого объекта и их экранирование. В подобной ситуации применение УЗИП может быть существенно ограничено, и они должны рассматриваться как крайняя мера.

Для правильного выбора УЗИП вряд ли потребуется зонная концепция. В дополнение к ней (а быть может, и вместо нее) целесообразно ввести в новый нормативный документ не только достоверную методику расчета грозовых перенапряжений в низковольтных электрических цепях от многокомпонентных молний, но и универсальные методы расчета токовой нагрузки УЗИП, а также алгоритмы оценки их дееспособности в типовых условиях.

Хочется еще раз напомнить, что научные основы всех необходимых методологических разработок известны и они готовы к практическому применению. Проблема заключается не в научных исследованиях, а в организации дееспособной кооперации основных отраслей отечественной промышленности, способной финансировать создание совершенного нормативного документа по молниезащите нового поколения, ориентированного на использование в системах автоматизированного проектирования и оснащенного методическими указаниями, типовыми проектными решениями, а главное, необходимым комплектом типового программного обеспечения.

ЛИТЕРАТУРА

1. Инструкция по устройству молниезащиты зданий и сооружений РД 34.21.122-87. М.: Энергоатомиздат, 1991.
2. Инструкция по устройству молниезащиты зданий, сооружений и промышленных коммуникаций. М.: Изд-во МЭИ, 2004.
3. International Standard IEC 62305. Protection against lightning.
4. Базелян Э.М., Райзер Ю.П. Физика молнии и молниезащиты. М.: Физматлит, 2001.
5. Rison W. Experimental Validation of Conventional and Non-Conventional Lightning Protection Systems / IEEE Power Engineering Society General Meeting. Toronto. 13–17 July 2003.
6. Куприенко В.М., Акамелков Г.А., Романцов В.Н. и др. Методика и результаты испытаний защитного действия активного молниеотвода / IV Международная конф. по молниезащите. 27–29 мая 2014: Сборник докладов. СПб.: 2014.
7. Смирнов В.П., Фортов В.Е., Быков Ю.А. и др. Распространение тока с амплитудой до 85 кА в грунте на расстояние в десятки метров // Физика плазмы. 2016. Т. 42. № 2.