2.3.1 Преимущества применения активных молниеприемников по сравнению с другими методами
Радиусы защиты одностержневого молниеприемника, тросового молниеприемника и методом сетки (рисунок 2.12) определяются в соответствии с моделью катящегося шара и как выше было представлено, эти радиусы гораздо меньше чем активных молниеприемников (АМП) вследствие использования предупредительных разрядов.
Зоны защиты этих методов по сравнению с АМП имеют менее удачную форму, зона защиты АМП позволяет более надежно закрыть большую площадь.
Если необходимо защитить здание большой площади, то в случае применения АМП (рисунок 2.13), можно использовать 2-3 молниеприемника и устройства заземления к ним. Если не используем АМП, то необходимо применять метод сетки, т.е. укладывать металлическую сетку через расстояние 10 мм, и делать спуски заземлителями, что во много раз увеличивать расход металла, усложнять конструкцию, снижается надежность системы.
Рисунок 2.12 - Защита зданий с помощью тросовых молниеприемников (слева) и методом сетки (справа)
Рисунок 2.13 - Защита здания большой площади с помощью АМП
Установка одного АМП и контура заземления из нескольких заземлителей гораздо экономичнее по использованию металла по сравнению с методом сетки, тросовых и одиночных молниеотводов. Контур заземления для АМП прост в изготовлении, не надо рыть траншей по периметру здания и укладывать туда заземлители, как в случае пассивных молниеприемников. Кроме того, в методе сетки, например, сетка может оборваться и нарушится контур заземления.
АМП прост в установке, защищен от атмосферного воздействия, не требует обслуживания в процессе эксплуатации.[1]
2.4 Токоотводы и их типы
Токоотводы должны транспортировать ток молнии от молниеприемника к заземлителю молниеотвода. При нормировании они не привлекали к себе особого внимания. В нормативном документе “Инструкция по устройству молниезащиты зданий и сооружений РД 34.21.122-87” предписано, что в качестве токоотводов “всюду, где это, возможно, следует использовать металлические конструкции зданий и сооружений (колонны, фермы, рамы, пожарные лестницы и т.п., а также арматуру железобетонных конструкций) при условии обеспечения непрерывной электрической связи в соединениях конструкций и арматуры с молниеприемниками и заземлителями, выполняемых, как правило, сваркой. Что касается специально прокладываемых токоотводов, то их предписано располагать по внешнему периметру стен с шагом 25 м. При этом диаметр стального проводника не может быть меньше 6 мм. Каких-либо особых требований к токоотводам норматив РД 34.21.122-87 не предусматривает. Исключение составляет рекомендация не прокладывать токоотводы ближе 3 м от входов в здание, чтобы избежать поражения людей напряжением прикосновения.
Норматив 2003 г “Инструкция по устройству молниезащиты зданий, сооружений и промышленных коммуникаций” уделяет токоотводам больше внимания. Во-первых, частота размещения токоотводов по наружному периметру стен здания представляется зависимой от избранного уровня защиты. Для I уровня шаг расстановки токоотводов не должен превышать 10 м, а для каждого следующего уровня он увеличивается на 5 м. Таким образом, расстановка, токоотводов с шагом 25 м (как в РД 34.21.122-87) допускается только для IV уровня защиты. Во-вторых, норматив разрешает использовать для токоотводов не только сталь, но и цветные металлы, в том числе алюминий. Последнее важно, потому что в современном градостроительстве алюминиевые детали – важный элемент декоративной отделки стен и эти элементы декора часто удается использовать в качестве естественных токоотводов. Наконец, токоотводы разрешено помещать под декоративной отделкой стен, если отделочный материал негорючий. Тем самым снимается проблема порчи внешнего вида сооружения.
Неудовлетворенность нормативом возникает при попытке понять возможности использования естественных молниеотводов. В их роли норматив 2003 г видит металлические конструкции здания, в т.ч. с изоляционными покрытиями, металлические каркасы и опоры, стальную арматуру железобетонных конструкций. Электрическая непрерывность соединений должна быть долговечной, а сечение металла не меньше, чем это предписано специально монтируемым токоотводам (50, 25 и 16 мм2 для стали, алюминия и меди соответственно). Арматура железобетонных конструкций считается электрически непрерывной, если хотя бы 50% стержней соединены сваркой, болтовыми соединениями или вязкой проволокой. При столь подробном разъяснении деталей норматив, тем не менее, не дает ответа на фундаментальный вопрос: когда можно полагаться на естественные токоотводы и при каких обстоятельствах необходимо их прокладывать специально по внешней стороне стен здания.
Если беспокоиться о термическом воздействии тока молнии, то ситуация выглядит достаточно просто. Пропуская ток молнии, токоотвод не только не сгорит, но даже не перегреется. Действительно, по нормативным требованиям проектирование проводящих элементов молниеотводов I уровня защиты должно ориентироваться на удельную энергию разряда в 104 Дж/Ом. Чтобы определить фактическую энергию, выделившуюся в проводнике с током молнии, надо умножить это значение на сопротивление проводника. Например, для нормированного стального токоотвода сечением 50 мм2 это будет примерно 0,0022 Ом/м, что даст энерговыделение в 22 Дж/м. Такой энергии недостаточно, чтобы поднять температуру проводника хотя бы на 1000. Многочисленные токоотводы здесь не нужны, ибо по нагреву ситуация и так более чем благополучна. [15]
Другое дело электромагнитная обстановка. Чем на большее число проводников дробится ток молнии, тем слабее магнитное поле во внутреннем объеме здания, а значит, тем меньше ЭДС магнитной индукции, что возбуждается этим полем в любом контуре, например, в кабелях компьютеров или в цепях управления микропроцессорной техникой. В этом отношении каждый дополнительный токоотвод – реальное благо и их число желательно максимально увеличивать. [7]
Сказанное иллюстрируется результатами расчета рисунка 2.14 (рисунок 2.14). Для простоты вычислений рассмотрен объект в виде кругового цилиндра радиусом 25 м из непроводящего материала. Вертикальные токоотводы размещены с равным шагом по внешней стороны стены; влияние путей растекания тока молнии по поверхности крыши во внимание не принималось. Произведенная оценка напряженности магнитного поля H выполнена для контрольных точек на средних этажах объекта, где токоотводы в первом приближении можно рассматривать как неограниченно длинные; расчетные значения напряженности H отнесены к полному току молнии I. При 2-х токоотводах (минимально допустимое количество) поле H, в силу радиальной симметрии равное 0 в центре очень заметно нарастает по мере приближения к наружной стене. Уже на расстоянии r = 5 м от оси значение H/I достигает 10-3 м-1, а при r = 18 м увеличивается еще в 10 раз. Далее, в направлении внешней стены с токоотводами магнитное поле нарастает очень быстро, приближаясь к H/I ~ 1 м-1.
Рисунок 2.14 - Распределение магнитного поля по радиусу внутри цилиндрического объекта радиусом 25 м; отсчет расстояния производится от центра цилиндра
Увеличение числа токоотводов эффективно снижает магнитное поле тока молнии в средней части объема здания. Так, при использовании 6-ти токоотводов H/I < 10-3 м-3 на расстоянии r ≤ 17 м от оси, а в случае 24 токоотводов – при 23 м. Фактически в неблагоприятных условиях оказывается только внутреннее пространство защищаемого объекта, близко примыкающее к стенам с токоотводами, где магнитное поле определяется лишь током ближайшего из токоотводов, а экранирующие эффекты проявляются слабо. В качестве примера на рис. 2.14 построена зависимость от числа токоотводов приведенного значения H/I на внутренней поверхности стены толщиной 10 см (расчетная точка расположена непосредственно напротив токоотвода). Можно видеть, что очень резкое ослабление начинается в случае использования сотен токоотводов, когда расстояние между ними сопоставимо с расстоянием до расчетной точки. Столь большое число токоотводов реально, когда их роль исполняет железобетонная арматура защищаемого сооружения. [13]
Вернемся теперь к вопросу о внутренних фермах и колоннах, которые рекомендовано использовать в качестве естественных токоотводов. Подобная рекомендация представляется крайне неосмотрительной. Чтобы убедиться в этом стоит рассмотреть предельную ситуацию, положив, что ток молнии устремляется к заземлителю через единственную металлическую колонну в центре сооружения, а токоотводы по внешней поверхности стен не проложены. Для I уровня защиты норматив 2003 г. предписывает ориентироваться на среднюю крутизну фронта тока Ai= 2´1011 А/м. При столь быстром нарастании на расстоянии r от центра колонны в контуре площадью S магнитное поле тока возбудит ЭДС индукции предельной величиной
где m0 – магнитная проницаемость вакуума. Даже при достаточно большом удалении от колонны r ~ 10 м наведенное напряжение в контуре S = 1 м достигнет 4000 В и будет представлять реальную опасность аппаратуры в сети 220 В. Что же здесь говорить о цепях микропроцессорной техники с напряжением питания менее 10 В. Для их повреждения достаточно взаимодействия с магнитным полем тока молнии контуров площадью порядка 0,01 м2, в роли которых могут выступать, например, провода цепей низковольтного питания. Конечно, коммуникации низковольтного оборудования можно экранировать или защищать ограничителями перенапряжений, но при исключительно разветвленной и протяженной цепи систем управления, релейной защиты и автоматики прибегать к таким мерам надо возможно реже. Начинать следует с организации разумного отвода тока молнии в землю, при которой он минимальным образом нагрузит металлоконструкции во внутреннем объеме здания. Прокладка токоотводов по внешней поверхности стен здания служит и для этой цели.
Рисунок 2.15 - Зависимость от числа токоотводов напряженности магнитного поля на внутренней поверхности диэлектрической стены толщиной 10 м. Объект выполнен в виде кругового цилиндра радиусом 25 м
Полезно еще раз вернуться к простейшему примеру с цилиндрическим объектом. Допустим, что по его оси располагается вертикальная колонна. Расчетные данные на рисунке 2.15 (рисунок 2.15) демонстрируют долю тока молнии в колонне в зависимости от числа токоотводов на внешних стенах. Расчет справедлив для наиболее опасного по электромагнитному воздействию импульса тока молнии с коротким (менее 1 мкс) фронтом, когда на распределение тока практически не влияет ни сопротивление токоотводов, ни их радиус. [28]
Рисунок 2.16 - Доля тока в центральной колонне цилиндрического объекта радиусом 25 м в зависимости от числа токоотводов на внешней поверхности стен
Можно видеть, что при монтаже токоотводов с шагом 10 м (16 токоотводов по периметру объекта), как это предписано в нормативе 2003 г для I уровня защищенности, в центральной колонне останется только 5% тока молнии, а при увеличении числа токоотводов более чем до 100 можно снизить токовую нагрузку до 1%. В те же десятки раз упадет и напряжение магнитной индукции. Для сопоставления отметим, что в типовом решении с 2-мя токоотводами по центральной колонне пройдет более 30% тока молнии (рисунок 2.16).
Остается еще раз повторить, что сотни токоотводов не попадают в разряд фантастических решений. В их роли вполне может выступать стальная арматура железобетонных стен или, например, металлические каркасы стеклопакетов.
В итоге проведенного рассмотрения, очевидно, что ни при каких обстоятельствах нельзя направлять значительную долю тока молнии локально во внутрь зданий (например, направляющие лифтов в кирпичных зданиях и т.п.), потому что это верный путь к резкому увеличению ЭДС магнитной индукции во внутренних электрических цепях объекта.
При современном индустриальном строительстве зданий, как правило, возводятся несущие пространственные железобетонные и металлические электропроводящие конструкции, а также монтируются фасадные металлические конструкции. В случае использования их в качестве естественных токоотводов возможность локального «опасного» протекания тока молнии внутрь здания отсутствует.[20]
Примеры защиты антенн от прямого разряда, и защиты антенных кабелей от воздействия тока молнии приведены на рисунке 2.17 (рисунок 2.17).
Рисунок 2.17 - Размещение антенных мачт в защищаемых вертикальными молниеотводами пространствах
В представленных решениях следует сохранять требуемые защитные расстояния между мачтой и антеннами, молниеотводом и другими элементами молниезащитного устройства.
Если сохранение требуемых защитных расстояний или создание защищаемых пространств вертикальными молниеотводами является трудным или невозможным реализовать, то можно применить токоотводы HVI (High Voltage Insulated), производящихся фирмой DEHN. Эти токоотводы имеют изоляцию высокого напряжения, покрытую полупроводящим слоем и ее можно применять в случае необходимости монтирования токоотводов рядом с заземленными проводящими инсталляциями или устройствами.
Применение таких токоотводов устраняет требование сохранения безопасных расстояний, составляющих около 0,75 м для расстояний в воздухе и около 1,5 м для расстояний в твердом диэлектрике (рисунок 2.18).
Рисунок 2.18 - Готовые токоотводы в изоляции высокого напряжения с различными концами и скобами для монтажа
Токоотводы в изоляции могут заменить представленные классические решения с креплением изоляционных кронштейнов (рисунок 2.19 б).
Стандартные способы молниезащиты предусматривают соединение всех металлических частей строения между собой для снижения разницы потенциалов. Это позволяет исключить возможное опасное искрообразование. Данное решение обеспечивает безопасность людей и защиту объекта от взрывов, пожаров и разрушений при воздействии молнии.
Теле- и спутниковые антенны, антенны связи и передачи данных, системы кондиционирования и другое электротехническое оборудование при таком решении остаются уязвимыми к воздействиям молнии. При этом для защиты оборудования необходимо исключить возможность наведения потенциала на корпус. Международные стандарты, в частности МЭК 62305, рекомендует применение электрически изолированной системы молниезащиты от оборудования.
Традиционным способом добиться безопасного расстояния было установка изолированных дистанционных кронштейнов длиной до 1000мм между токоотводом и оборудованием. Однако их применение ограничивается высокой стоимостью, сложностью монтажа, и на высотных объектах и мачтах их применение не всегда является экономически и технически обоснованным решением.
Рисунок 2.19 - Защита антенн от прямого удара молнии:
Пример использования токоотводов HVI для защиты антенн базовых станций сотовой связи представлен на рисунке 2.20.
Компанией ERICO®, имеющей 25-летний опыт разработки и применения молниезащитных систем, был разработан изолированный токоотвод ERITECH®, позволяющий решить данную проблему.
Преимущество данного токоотвода заключается в том, что он может быть установлен непосредственно на мачте или строении, обеспечивая безопасное расстояние соответствующее воздушной изоляции равной 1000мм.
Эффективность разработанного компанией ERICO® изолированного токоотвода, была подтверждена многолетним опытом эксплуатации на тысячах объектов по всему миру. Для реализации этой системы используются полупроводниковые внешние оболочки, предотвращающие пробой кабеля, при этом соединение со строением осуществляется через промежуточные опоры токоотвода.
Рисунок 2.20 - Пример использования кабеля в изоляции высокого напряжения, покрытой полупроводящим материалом, для отвода тока молнии
Изолированный токоотвод разработан, испытан и эксплуатируется согласно требованиям стандартов молниезащиты МЭК 62305 (рисунок 2.21).
Рисунок 2.21 - Изолированный токоотвод
Рисунок 2.22 - Конструкция и способ присоединения изолированного токоотвода
Система изолированного токоотвода ERICO® оснащается обычным молниеприемником, который смонтирован на пластмассовой мачте, усиленной стекловолокном. Находящийся внутри мачты изолированный токоотвод соединен с молниеприемником. Мачта обладает естественными изоляционными свойствами, высокой прочностью и небольшим весом, что уменьшает механические нагрузки на мачту (рисунок 2.22).
2.4.1 Проектирование и эксплуатация
Состав и принцип работы системы изолированного токоотвода ERITECH® основан на требованиях МЭК 62305-3 (Молниезащита - Часть 3.Физические повреждения сооружений и угрозы жизни и здоровью человека). Проектирование системы молниезащиты на основе изолированного токоотвода ERITECH® должно включать следующие этапы:
1 этап. Определение необходимой высоты молниеприемника, обеспечивающей защиту объекта в соответствии с Методом Защитного Угла по МЭК 62305 (рисунок 2.23-2.25).
Уровень молниезащиты может быть определен согласно параметрам Оценки Риска по МЭК 62035-2, либо выбирается 1й уровень молниезащиты для обеспечения максимальный защиты здания или сооружения.
Используя эту информацию, проектировщик должен определить необходимую минимальную высоту молниеприемника над верхней точкой защищаемой мачты или объекта. (Примечание: Изолированный токоотвод ERITECH® размещается на высоте минимум 2 метра над объектом).
2 этап. Определение высоты молниеприемника и подбор подходящего уровня молниезащиты соответствующего изоляционному расстоянию (МЭК 62305-3 параграф 6.3) не превышающему 1000 мм. (см. стр. 5)
3 этап. Подбор соответствующих комплектующих для монтажа системы изолированного токоотвода ERITECH® из каталога ERICO. Определение требований к установке оборудования и проектирование подключения к заземляющему устройству или молниезащитной системе.
Рисунок 2.23 - Проектирование методом защитного угла
Рисунок 2.24 - МЭК 62305, часть3. Выбор защитного угла
Уровень молниезащиты Максимальное значение тока (10/350µs)
Допускаемая погрешность
I 200кА < 1 %
II 150кА <3 %
III 100кА <9 %
IV 100кА < 16 %
Рисунок 2.25 - МЭК 62305 Электрическая изоляция и безопасное расстояние
Электрическая изоляция между молниеприемником или токоотводом и защищаемыми внутренними или наружными металлическими и электрическими частями, может быть обеспечена необходимым безопасным расстоянием s между этими элементами, которое определяется по формуле:
МЭК 62305-3 Раздел 6.3, формула 4
где Ki - зависит от выбранного уровня молниезащиты;
Kc - зависит от тока молнии, протекающего по токоотводу (kc = 1 для одиночного токоотвода);
Km –зависит от электрического сопротивления изоляционного материала (k = 1 для воздуха);
l - длина [м], токоотвода от точки определения наименьшего допустимого расстояния до ближайшей точки уравнивания потенциалов (т.е. как правило, до нижней концевой заделки).[5]