Молниезащита — теория

Строительство

Риск атмосферных разрядов

Уже сотни лет по всему миру человек пытается защитить себя и свое жилье от атмосферных явлений. Правда не везде и не всегда эти явления постоянны, но потенциальный риск всегда существует. Одним из самых опасных такого типа явлений является молниеразряд. Они происходят во всём мире каждые три секунды. Атмосферный разряд является эффектом накопления электрического заряда в грозовых тучах. В момент наступления порога напряжения начинает образоваться молниеразряд между двумя грозовыми тучами различных потенциалов или между грозовой тучей и поверхностью земли. В последнем случае речь идёт о разряде к земледлина которого может достигать до нескольких десятков километров. Возможные типы разрядов указаны на рисунке №1, в т.ч.: прямой удар в любое сооружение или систему защиты (a), удар около здания в присоединённые к нему линии или в землю (б), около здания в ближайший к нему объект или в землю (в).

Рис. №1. Возможные удары молнии: а) прямой удар, б) удар в ЛЭП подсоединенные к зданию, в) около здания в ближайший к нему объект или в землю

* в этом случае применяются только методы катящегося шара и принцип защитной сетки
Таб. №1. Взаимозависимость применяемой молниезащиты от степени защиты здания

Рис. №2. Защищаемые зоны в зависимости от применяемого метода расчётов

Положения по проектированию эффективной молниезащиты

Для начала проектировки молниезащитной системы надо определить уровень защиты. Как только мы его определим мы можем приступить к обозначению зон защиты защищаемого объекта согласно определённым стандартам BS 6651, IEC 62305, СО 153-34.21.122-2003. По стандартам расчётов применяются три метода определения зон защиты с учётом значений указанных в таблице №1 и №2, мы можем применять: принцип защитной сетки, принцип защитного угла и принцип катящегося шара.

Во избежание риска опасного удара, токоотводные проводники должны обеспечивать надежное соединение с заземлением, с учётом того что: могут выступать несколько параллельных отводов рядом друг с другом (таблица №2 и рис. №3), длина токоотводов должна быть максимально короткой. Требуемое расстояние между токоотводами зависит от определённой заранее степени защиты и его ни в коем случае нельзя увеличивать. Нижние токоотводы должны обеспечить беспрерывный контакт молниеприёмника вдоль и поперёк по периметру всего защищаемого здания. Среднее расстояние между установленными на здании проводниками не должно быть меньше чем значение указанное в таблице №2 и на рисунке №3.

Таб. №2. Минимальное расстояние между нижними токоотводами в зависимости от степени защиты в соответствие с IEC

Рис. №3. Минимальное расстояние между нижними токоотводами для соответствующих степеней защиты

Во всех случаях необходимо использовать два токоотвода. Вертикальные токоотводы должны быть соединены друг с другом горизонтальным проводником вблизи поверхности земли и далее горизонтально каждые 20 метров (рисунок №4).

Рис. №4. Проектирование токоотводов для высокого жилого здания

Рис. №5. Минимальное расстояние от фасада здания в согласовании с IEC

В соответствии с международными стандартами IEC установка системы молниезащиты должна обеспечить определённое расстояние между креплениями токоотводов к фасаду здания. Оно не должно превышать 1 м. Однако, расстояние это зависит от типа материала из которого изготовлен данный фасад. Если он построен из негорючего материала или из горючего, но которому не угрожает повышение температуры токоотводов при протекании тока, тогда разрешается крепить проводник к фасаду или непосредственно в нём. В других случаях, т.е. если появляется угроза для горючего материала необходимо крепить проводники на расстояние 10 см (рисунок №5).

Рис. №6. Требуемое расстояние для расположения токоотводов, в соответствии с IEC

Для обеспечения безопасности необходимо выдержать расстояние между токоотводом и ближайшим возможным местом нахождения людей. Расстояния: вход в здание, проход между металлической оградой и токоотводом должно быть более 2 метров. Если это невозможно сделать должна быть применена защитная труба.

Система заземления должна рассеивать ток молнии в земле без появления опасных напряжений. Наиболее важна форма и размеры заземляющего устройства, чем значение сопротивления заземляющих электродов. Однако, низкое сопротивление, необходимо и рекомендовано в соответствии с национальными нормами и стандартами.

В соответствии со стандартом IEC заземляющее устройство разделяются на два основных типа:

тип А – минимум два круглых горизонтальных заземляющих электрода, длинной каждый l₁ <= 5 м или два вертикальных (наклонных) электрода минимальной длинной 0.5 l₁,

тип Б – взаимосвязанный стальной каркас в бетонном основании (присоединение к каркасу должно быть всегда доступным) или внешнее замкнутое кольцо заземления радиусом r не менее l₁, (r >= l₁). Если r < l₁ необходимы дополнительные заземляющие электроды длинной l_r = l₁ – r или вертикальные электроды длинной l_v = 0.5 (l₁ – r). Минимальные требования длин заземляющих электродов указани на рис. 7.

Рис. №7. Минимальные длины l₁ заземлителей в соответствии с уровнем защиты

Электроэнергетика

Заземляющее устройство электрических подстанций

Требования к заземлению:

• рабочее заземление – соблюдение требуемых значений сопротивления заземляющего устройства не превышающее действующих норм,
• заземление мониезащитной системы – сопротивление заземляющего устройства не должно быть выше 10 Ом,
• защитное заземление – защита людей находящихся на территории подстанции и поблизости, ограничение напряжения заземления, гарантирующее корректную работу ограничителей перенапряжения и защиту устройств подсоединенных в общий контур заземления,
• стойкость к высокой температуре, механическим и коррозионным воздействиям,
• обеспечение уравнения потенциалов, ограничение перенапряжения, и его вредного влияния на вторичные цепи и электронный устройства.

Для проектирования молниезащиты электроустановки первым должно быть измерено удельное сопротивление грунта. Метод Венера с использованием 4-х электродов (рис. 8). Сопротивление вычисляется на основании расстояния между электродами и сопротивлением между ними по формуле 1.

Рис. №8. Проектирование токоотводов для высокого жилого здания

Формула. №1.

Заземляющее устройство основанное на медной сетке (рис. 9) размер ячейки сетки зависит от тока коротких замыканий. Сопротивление сетки вычисляется по формуле 2. Для предотвращения возможных влияний климатических условий (изменение влажности и температуры в разные сезоны года) вертикальные заземлители должны быть выполнены (как показано на рис. 10 обозначено как "g") по периметру сетки и добавочно соединены с заземляющими устройствами ЛЭП (громоотводному тросу или контуру заземления), а также с ограничителями перенапряжения.

Рис. №9. Схема искусственного заземляющего устройства электрической подстанции

Формула. №2.

Рис. №10. Заземляющая сетка подстанции 15 кВ

Система заземления для ЛЭП

Конструкция системы заземления:

• заземление молниезащитной системы состоит из заземляющего контура, выполненного из полосы подсоединенной к вертикальным заземлителям обозначенные как "g" или с дополнительным горизонтальным, радиальным проводником,
• защитное заземление состоит из заземляющих контуров, где каждый следующий контур находится внутри предыдущего. Данный заземляющий контур так же необходимо подсоединять к вертикальным заземлителям (рис. 11).

Рис. №11. Система заземления ЛЭП

Аналогично как в случае с электрической подстанцией, вертикальные заземлители должны быть не менее 3 метров в длину.

Рис. №12. Схема искусственного заземления ЛЭП

Телекоммуникация

В последние годы мы стали свидетелями широкого распространения объектов управляемых на основе электронных устройств характерных высокой чувствительностью к любым скачкам напряжения. Хороший пример для этого телекоммуникационная индустрия с жесткими требованиями и высочайшей степенью защиты от воздействий разрядов молний. Все принципы проектирования имеющие отношения к молниезащите могут быть также применимы и на телекоммуникационных объектах. В начале проектирования молниезащитной системы мы должны в первую очередь определить уровень риска попадания молнии в данный объект. Ограничения, связанные с уровнем защиты должны гарантировать безопасность чувствительных приборов, а также безопасность людей. Для определения уровня защиты может быть использован любой из трех раньше представленных методов: метод защитной сетки, метод защитного угла и метод катящегося шара. Токоотвод и проводник системы заземления должны гарантировать отвод тока молнии в землю кратчайшим путем. При монтаже молниезащитной системы допустимо использовать металлические конструкции в качестве проводника. Монтаж молниезащитной системы должен быть продуман еще на стадии проектирования, а на стадии строительства, когда закладывается фундамент, необходимо помнить о горизонтальном контуре заземления, в соответствии с заявленным стандартам. Пример подобной системы заземления представлен на рис. 13. В связи с широким ассортиментом продукции Galmar возможна реализация любых, даже самых сложных, молниезащитных систем.

Рис. №13. Молниезащитная система металлических GSM башен