Молниезащита зданий и сооружений по новым технологиям - Статьи :: Международный Электротехнический Журнал Электрик
Рубрика

Техника и технологии

6368
Молниезащита зданий и сооружений по новым технологиям

По статистике на Украине от ударов молнии ежегодно погибает около 30, а в США – более 100 человек. Удары молний также опасны для зданий и сооружений, которые могут быть ими полностью или частично разрушены. Поэтому установка молниезащиты зданий и сооружений сегодня является обязательной в каждой стране.

 

Коротко об особенностях физической природы молнии

Молния представляет собой огромный электрический разряд длиной в несколько километров, развивающийся между грозовым облаком и каким-либо наземным сооружением или между облаком и землей (см. фото). Для развития молнии необходимо возникновение в атмосфере особых условий, приводящих к образованию грозовой облачности. Поднимаясь на большую высоту и охлаждаясь в верхних низкотемпературных слоях атмосферы, водяные пары превращаются в капли воды или кристаллы льда и образуют облака, которые, по мере подъема вверх, еще больше охлаждаясь и укрупняясь, выпадают из облака в виде дождя. Падая на землю, капли дождя соприкасаются с поднимающимся потоком воздуха, что вызывает появление на них электрических зарядов противоположных знаков, стремящихся соединиться друг с другом. В результате отдельные части облака, а также облако и земля начинают взаимодействовать друг с другом, создавая электрическое поле, под воздействием которого находящиеся в воздухе свободные электроны приобретают значительную скорость и устремляются к земле. Сталкиваясь с атомами воздуха, электроны разбивают их на положительные ионы и электроны, образуя «лавину», движение которой создает электрический ток, нагревающий воздух и, тем самым, увеличивающий его проводимость. Когда «лавина» достигает земли, за сотую долю секунды образуется канал для разряда молнии, по которому начинает интенсивно протекать электрический ток. При этом, вследствие соединения отрицательного заряда облака через канал молнии с положительным электрическим зарядом земной поверхности, возникает молния, представляющая собой электрического разряд огромной мощности.

Основным поражающим фактором молнии являются кратковременные, не превышающие 1…10 мкс, электрические импульсы мощностью в несколько сот и даже тысяч киловатт. При этом температура канала молнии может достигать 25000…30000°С, поэтому в месте удара молнии возникает локальный перегрев, который во многих случаях вызывает пожар с непредсказуемыми последствиями. Кроме того, в случае попадания молнии в тот или иной объект, незащищенный системой молниезащиты, может произойти его частичное или полное разрушение, поражение электрическим током находящихся в нем людей, выход из строя чувствительного электрооборудования.

 

Общие принципы молниезащитызданий и сооружений

Современная молниезащита зданий и сооружений представляет собой комплексное инженерно-техническое решение, предназначенное для одновременного выполнения функции грозозащиты и молниеотвода.

Молниезащита зданий и сооружений должна обеспечивать выполнение следующих функций:

- предохранять защищаемый объект от различного рода повреждений при прямом попадании молнии;

- исключать образование искрений, возгораний внутри защищаемого объекта;

- обеспечивать как защиту защищаемого объекта от поражения электричеством, так и людей, находящихся внутри и снаружи защищаемого объекта;

- исключать образование индуцированного тока;

- обеспечивать безаварийную работу электроустановок и другого оборудования при возникновении электромагнитных наводок от молнии.

Вышеуказанные функции молниезащиты в полном объеме могут быть реализованы, как будет показано далее, не одной, а двумя системами молниезащиты – внешней и внутренней.

Внешняя система молниезащиты.Эта система молниезащиты, регламентированная как международным стандартом МЭК 62305.4, так и российскими нормативными документами РД 34.21.122-87 и CO 153-343.21.122-2003, представляет собой систему, обеспечивающую в момент прямого удара молнии в защищаемый объект ее перехват и отвод по токоотводам, изготовленным из стальных, медных или алюминиевых проводников, в систему заземления, где энергия разряда молнии должна безопасно рассеяться в земле без ущерба для защищаемого объекта и безопасно для людей, находящихся как внутри, так и снаружи защищаемого объекта.

Таким образом, главная задача внешней системы молниезащиты – уловить разряд молнии и отправить его по токоотводам на заземление.

В состав системы традиционной внешней молниезащиты входят:

- молниеприемники, принимающие разряд молнии;

- токоотводы, отводящие ток молнии от молниеприемников к заземляющему устройству;

- заземляющее устройство, канализирующее энергию молнии в землю для последующего ее безопасного распределения.

Особенности выполнения традиционной внешней молниезащиты защищаемого объекта поясним на примере молниезащиты коттеджа, которая осуществляется следующим образом.

На самом высоком месте кровли коттеджа устанавливается молниеприемник в виде стального стержня круглого сечения диаметром 12…20 мм. Такой молниеприемник имеет зону защиты, которая представляет собой конус с осью, совпадающей с осью молниеприемника. При этом вершина конуса находится на расстоянии 0,8 высоты молниеприемника, а образующая поверхности располагаться под углом в 45…50° к оси. Такое расположение молниеприемника позволяет обеспечить на уровне земли зону молниезащиты коттеджа, диаметр которой приблизительно равен удвоенной высоте молниеприемного стержня от земли до его кончика. Длина этого стержня может варьироваться в пределах 200…8000 мм, а площадь сечения штыря, обращенного в небо, должна быть не менее 100 мм2.

От молниеприемника коттеджа должна отходить пара спущенных с его кровли токоотводов, изготовленных из медного или стального одножильного проводника диаметром не менее 6 мм, причем токоотвод должен быть надежно присоединен к молниеприемнику либо с помощью контактных соединений II группы, либо приварен к нему, поскольку через молниеприемник может проходить ток молнии силой до 20 кА.

Токоотводы, спущенные с кровли коттеджа, должны быть закреплены специальными фасадными держателями на фасаде здания, доведены до земли и надежно соединены с расположенным на глубине 0,5…1,0 м заземлителем. При этом наиболее эффективным и экономически выгодным считается контурный заземлитель, проложенный по периметру здания на некотором удалении от его фасадов, поскольку для создания такого заземлителя требуется минимум дорогостоящих проводников и соединителей, в то же время он обеспечивает максимальный полезный рабочий эффект.

Общий вид внешней молниезащиты коттеджа схематически показан на рис.1.

Внутренняя система молниезащиты.Эта система молниезащиты состоит из двух основных частей:

- шины выравнивания потенциалов, объединяющей все протяженные металлоконструкции защищаемого объекта;

- устройств защиты от импульсных перенапряжений (УЗИП) – ограничителей перенапряжений, которые нейтрализуют импульсы перенапряжения, попадающие внутрь объекта по линиям электропередачи или системам коммуникаций. С помощью этих двух составных частей молниезащиты все находящиеся в защищаемом объекте электроприборы, электрооборудование, тонкие электронные системы охраны и пожарной сигнализации, а также вся электропроводка становятся защищенными от опасных импульсных перенапряжений, вызываемых как прямыми, так и непрямыми попаданиями молнии в этот объект. Таким образом, основную концепцию внутренней молниезащиты можно выразить следующим образом: напряжение на электрооборудовании защищаемого объекта должно быть ограничено с помощью УЗИП до безопасного уровня.

Схемы молниезащиты принято выполнять либо с приоритетом безопасности, тогда недопустимо разрушение УЗИП и временное отключение молниезащиты, но допустимо срабатывание автоматики с полным отключением потребителей, либо с приоритетом бесперебойности, тогда допустимо временное отключение молниезащиты, но недопустим перебой в электроснабжении потребителей.

Отметим, что УЗИП в зависимости от способности пропустить через себя энергию удара молнии принято делить на три типа: 1, 2 и 3.

Так, тип 1, способный пропустить через себя всю энергию типичного удара молнии, не разрушаясь (хотя за ним сохраняется бросок напряжения в несколько кВ), обычно устанавливают только в сельской местности с воздушными линиями электропередачи (ВЛ), а также в зданиях, к которым подключены ВЛ, или в зданиях, находящихся рядом с высокими объектами (деревьями).

Тип 2 не способен самостоятельно, без установки предшествующего типа 1, выдержать без разрушения удар молнии (т.е. его живучесть гарантируется только в случае совместного применения с типом 1). Бросок напряжения за типом 2 обычно составляет около 1,4…1,7 кВ.

Тип 3 для сохранения своей живучести требует применения типов 1 и 2 перед собой. Он устанавливается непосредственно рядом с потребителем – сетевым фильтром или же варисторной защитой в блоках питания некоторых бытовых устройств.

УЗИП не защищает от длительных перенапряжений, и в случае их возникновения он сам (во избежание выхода его из строя) обязательно должен быть защищен плавкими вставками или же автоматическими выключателями.

Физически УЗИП, внешне похожее на обычный автоматический выключатель, размещают во вводном щитке квартиры (коттеджа) или в случае более крупного защищаемого объекта – во вводном распредустройстве (ВРУ).

В табл.1 приведены данные о классах и назначении устройств систем молниезащиты.

 

Новые технологии молниезащиты, основанные на применении активных молниеприемников

Активная молниезащита (АМЗ), изобретенная во Франции в конце 1990-х годов, представляет собой принципиально новое, весьма перспективное решение в области систем внешней молниезащиты. Она обеспечивает ряд преимуществ по сравнению с традиционной молниезащитой, оборудованной такими защитными средствами, как молниеприемная сеть, металлические молниеприемные стержень и трос. Применение АМЗ нормируется в первую очередь французским стандартом NFC 17-102, а также стандартами других стран: IMRA 2426 (Аргентина), MKS N.B4 810 (Македония), NP 4426 (Португалия), STN 34 1391 (Словакия), UNE 21186 (Испания) и др.

Принципиальное отличие АМЗ от традиционной внешней молниезащиты заключается в наличии активного молниеприемника (рис.2), принцип действия которого основан на генерации на его конце высоковольтных импульсов с помощью встроенного электронного устройства. Наличие такого молниеприемника позволяет, опережая формирование «естественного» лидера, формировать встречный «искусственный» лидер (искровой разряд) в сторону уже развивающейся от облака молнии. Встречный лидер, быстро распространяясь, захватывает молнию на большем расстоянии и направляет ее на землю. Если же молния уйдет в сторону от зоны защиты, активный молниеприемник не окажет на нее никакого воздействия.

Таким образом, в отличие от пассивных систем молниезащиты, которые ждут, когда в них ударит молния, активная система обнаруживает возможность удара молнии в защищаемый объект заранее и не допускает прохождение разряда мимо активного молниеотвода, а принуждает разряд пройти через молниеотвод, в результате разряд молнии отводится в землю по заранее намеченному пути.

При использовании активного молниеприемника существенно увеличивается область молниезащиты, т.е. пространство, внутри которого здание или сооружение защищено от прямых ударов молнии с высокой надежностью. При этом одновременно достигается сокращение общего количества таких молниеприемников на защищаемый объект по сравнению числом пассивных молниеприемников в традиционной внешней молниезащите, что позволяет получить некоторую экономию средств за счет меньшего числа токоотводов для молниеприемников и упрощения монтажа (хотя в настоящее время стоимость активных молниеприемников продолжает оставаться довольно высокой, порядка 1000 USD, что во много раз превышает стоимость простого молниеотвода).

Классифицируются активные молниеприемники по такому, многократно подтвержденному испытаниями показателю, как выигрыш во времени в образовании встречного лидера. Этот параметр был неоднократно проверен в ходе лабораторных испытаний, подтвердивших наличие большей зоны защиты при применении активных молниеприемников.

Новые технологии молниезащиты, основанные на применении активных молниеприемников, в настоящее время успешно развиваются и совершенствуются рядом компаний, в первую очередь французских, таких как Duval-Messien, Indelec и др. Ниже приведены основные достижения в области активной молниезащиты одной из них – компании Duval-Messien, а также одного из лидеров мировой электротехники компании АВВ.

Активная молниезащита от компании Duval-Messien. Компания Duval-Messien разработала активный молниеотвод с фотоэлектрическим элементом, получивший фирменное название SATELIT 3. Этот молниеотвод, представленный в 2003 г. на международном рынке и во Франции, в настоящее время является единственным в мире активным молниеотводом с фотоэлектрическим датчиком и солнечными батареями для заряда элементов питания.

По сравнению с другими системами активной молниезащиты SATELIT 3 имеет следующие преимущества:

- внутреннее возбуждение высокого напряжения на игле молниеотвода происходит непосредственно в самом начале процесса молниеобразования;

- полная независимость SATELIT 3 от внешних источников питания за счет применения гибких фотоэлементов и батареи для подзарядки собственного аккумулятора питания;

- наличие системы обнаружения изменения электростатического поля и определения его полярности, позволяющей обеспечить захват молнии и осуществить ее разряд на землю по наперед заданному пути.

Модельный ряд Satelit 3 включает в себя три модификации прибора, отличающиеся между собой расстоянием инициации верхнего лидера:

- Satelit 3-25 – 25 м;

- Satelit 3-45 – 45 м;

- Satelit 3-60 – 60 м.

Новейшие разработки в области систем молниезащиты от компании ABB.Компания ABB разработала две линейки активных молниеприемников Pulsar (рис.3) и OPR (рис.4), работающих автономно, без потребления дополнительной энергии. Эти приборы намного превосходят аналогичные приборы для систем молниезащиты других компаний благодаря реализации в них всего спектра инновационных возможностей, улучшающих качество работы и повышающих уровень безопасности.

В результате применения этих приборов в АМЗ, которые в 5 раз эффективнее обычных молниеприемников, значительно (до 120 м) увеличивается радиус защиты любого защищаемого объекта за счет более раннего перехвата молнии на большом расстоянии от защищаемого объекта.

Отличие приборов OPR от приборов Pulsar состоит в наличии у последних системы RodCheck, позволяющей осуществлять визуальную индикацию удара молнии с током разряда более 25 кА.

Понравилась статья? Расскажите друзьям!
ПОХОЖИЕ СТАТЬИ
comments powered by Disqus