Подземные коммуникации несут опасность при ударе молнии! Э. М. Базелян

Введение

Проблема эта хорошо известна специалистам в области молниезащиты, потому что подземные электроды широко используются для отвода в землю токов молнии. Любое заземляющее устройство организуется системой таких электродов. В практике молнизащиты хорошо известна методика их расчета. Здесь же речь пойдет о совершенно другой функции заземленных электродов, как правило, достаточно протяженных. Они являются весьма качественным каналом для транспорта грозовых перенапряжений из точки удара молнии к защищаемому сооружению. В роли таких каналов могут выступать металлические трубы водопровода или системы транспортировки углеводородного топлива, системы подачи тепла от ТЭЦ, кабельные линии и любые другие достаточно протяженные подземные проводники. Контактируя своей металлической поверхностью с грунтом, они отдают в землю часть введенного в них тока молнии, но далеко не весь ток. Часть его все-таки доставляется до защищаемого от молнии сооружения, что представляет определенную опасность как для людей, так и для внутренних электрических и электронных цепей низкого напряжени. 

1. Расчетная схема для оценки транспортируемого напряжения

Рис 1.

Вполне очевидно, что доля передаваемого напряжения зависит от длины металлической коммуникации, ее погонного сопротивления и проводимости утечки импульсного тока в грунт, а стало быть, и от удельного сопротивления грунта. В общем случае задачу приходится решать в рамках схемы замещения с распределенными параметрами. Такое решение необходимо, если индуктивность коммуникации длины l и радиуса r₀

(1)

и ее суммарное сопротивление утечки в грунт при глубине укладки t 

 (2)

характеризуются постоянной времени T = L/R, величина которой соизмерима с длительностью импульса тока молнии. В общем случае процесс распространения описывается системой уравнений в частных производных

(3)

с погонными значениями индуктивности коммуникации L₀, ее емкости С₀,, продольного сопротивления R₀ и утечки в грунт G₀.

Упрощая вычисления при качественном сохранении основных закономерностей, целесообразно ограничиться частной, но практически значимой ситуацией, когда емкостная утечка тока существенно меньше утечки через проводимость грунта, а индуктивное падение напряжения по длине коммуникации многократно превышает его потерю на продольном сопротивлении. Это упрощает систему уравнений (3), которая сводится теперь к более удобному для вычислений выражению

(4)

с погонными значениями индуктивности и омической утечки в грунт

Численное решение задачи выполнялось для нормированного импульсного тока молнии с временными параметрами 10/350 мкс. Предполагалось, что этот ток вводится в заземляющее устройство молниеотвода с сосредоточенным сопротивлением заземления R_Н, к которому и присоединена протяженная коммуникация, замкнутая на своем удаленном конце на сопротивление заземления R_к.

2. Результаты компьютерного моделирования 

Расчетные данные на рис. 2 демонстрируют зависимость напряжения, доставленного к объекту по подземной коммуникации длиной в 500 м и радиусом 0,1 м. Предполагалось, что она уложена на глубину 1 м в грунт с удельным сопротивлением ρ, величина которого варьировалась в расчетах от 100 до 2000 Ом м.

Рис. 2. Зависимость результатов компьютерного моделирования от удельного сопротивления грунта для коммуникации длиной 500 м с сопротивлением заземления по 10 Ом на своих концах.

На оси ординат расчетного графика отложено приведенное значение напряжения, отнесенное к амплитуде импульсного тока молнии. Можно видеть очень сильную зависимость этого параметра от удельного сопротивления грунта ρ. Значение U/IM снижается от 2,5 до 0,2 Ом по мере изменения ρ от 2000 до 100 Ом м. Для транспортируемого по коммуникации напряжения здесь можно говорить о зависимости от ρ, достаточно близкой к линейной. Так, при нормированном токе молнии 100 кА (III уровень защиты) в грунте с удельным сопротивлением 2000 Ом м к защищаемом у сооружению будет доставлено напряжение, близкое 250 кВ (U/IM ρ 2,5 Ом) , а при ρ = 100 Ом м всего 20 кВ. 

Не стоит обольщаться резким снижением величины доставленного напряжения в грунте с низким удельным сопротивлением. Величина на уровне десятков киловольт – вполне весомое значение. Дальше будет показано, что с ним приходиться считаться и при обеспечении безопасности персонала и при защите электронного оборудования.

Вполне очевидно, что величина транспортируемого напряжения снижается с длиной коммуникации, что особенно заметно в грунтах высокой проводимости. Демонстрирующее это результат компьютерного моделирования представлен на рис. 3 для грунта с удельным сопротивлением 200 Ом м.

Рис. 3. Зависимость результатов компьютерного моделирования от длины коммуникации в грунте с удельным сопротивлением 200 Ом м.
Все остальные параметры коммуникации аналогичны представленным на рис. 2

Легко убедиться, что транспортировка напряжения по коммуникациям длиной в сотни метров может представлять вполне реальную опасность даже в хорошо проводящих грунтах, доставляя к защищаемому сооружению реально опасные перенапряжения при ударе молнии в молниеотвод.

Наконец результат транспортировки зависит и от величины сопротивления заземления концов коммуникации. В этом убеждает компьютерный расчет доли тока молнии, которую доставляется по коммуникации к заземляющему устройству защищаемого сооружения (рис. 4). Расчеты выполнены для сопротивлений заземления концов коммуникации в 2 и в 10 Ом. Другие основные расчетные параметры указаны на рисунке, а временные параметры импульса тока молнии приняты равными 10/350 мкс

Рис. 4. Расчетные параметры импульса тока, доставленного к защищаемому сооружению по коммуникации, заземленной по своим концам на сопротивления 2 или 10 Ом.
Расчет выполнен для импульсного тока молнии 10/350 мкс

Можно видеть, что при прочих равных условиях пятикратное снижение сопротивления заземления коммуникации приводит к увеличению доставленного ею тока примерно в 2,3 раза. В результате напряжение на заземляющем устройстве сооружения хотя и снижается, но всего лишь в 2,17 раза.

Рис. 5. Ввод газопровода в ГРП при устройстве электрохимической защиты

В ряде практически значимых условиях возникшая ситуация оказывается достаточно дорогостоящей. На рис. 5 узел ввода подземного газопровода в ГРП с собственным заземляющим устройством и системой электрохимической защиты от коррозии. Для ее обеспечения фланцы в месте ввода подземной коммуникации разделены изоляционной прокладкой. Чтобы исключить аварийный пробой прокладки, ведущий к выбросу газа в открытое пространство и возгоранию при грозовом воздействии, она шунтируется УЗИП, повышенная пропускная способность которого должна обязательно определяться с учетом подключения к газопроводу заземляющего устройства ГРП.

3. Особенности работ на протяженных коммуникациях

Особого внимания требует обеспечение безопасности работы оперативного персонала на объектах с протяженными коммуникациями. Если коммуникация не подключена к заземляющему устройству сооружения, коснувшись ее, человек попадает под действие полного напряжения, доставленного по коммуникации от точки удара молнии. Выше показано, что величина этого напряжения даже в хорошо проводящих грунтах может лежать в пределах нескольких десятков киловольт.

В чем главная опасность такого воздействия, длящегося несколько сотен микросекунд? 

Рис. 5. Зависимость от тока по пути рука-нога времени воздействия напряжения для возбуждения фибрилляции сердца (сплошная кривая – вероятность до 5%, средняя –до 50%, правая –более 50%)

При известном сопротивлении тела человека R_ч эти значения позволяют оценить опасную величину напряжения, доставленного по протяженной коммуникации к защищаемому сооружению как 

U_фиб = R_ЧI_{ч (5)}

Единственная сложность такой оценки в том, что сопротивление тела человека меняется в зависимости от воздействующего на него напряжения из-за электрического пробоя слоя кожи. Однако, при напряжении более 1000 В эта величина стабилизируется. У большинства людей с вероятностью 50% она не превышает всего 750 Ом. Согласно (5) это означает, что напряжение, способное вызвать фибрилляцию сердца хотя бы у 5% обслуживающего персонала, не превышает всего 1500 В, а напряжение в 4500 В повышает вероятность такого события до 95%

Рис. 6. Компьютерное моделирования протяженной коммуникации на заземленных опорах при различном удельном сопротивлении грунта

Надо ли говорить, насколько велика опасность прикосновения к протяженным коммуникациям! Проблема усугубляется еще и тем, что коммуникация может быть проложена не под землей, а на ее поверхности, располагаясь на заземленных опорах, и потому легко доступна для прикосновения по всей своей длине. К тому же ее могли не присоединить наглухо к заземляющему устройству защищаемого сооружения.

Результаты компьютерного расчета на рис. 6 выполнены для такой коммуникации длиной в 1000 м с заземленными опорами через каждые 10 м длины. Предполагалось, что заземлителем опоры служит вертикальный стержень длиной 3 м. Расчеты выполнены для грунта с удельным сопротивлением 1000 и 200 Ом м. Легко убедиться, что опасное напряжение в 4500 В способна возбудить молния с током 13 кА при удельном сопротивлении грунта 200 Ом м, а при 1000 Ом м для этого достаточно даже слабейшей молнии с током всего 3 кА.

Следует иметь в виду совершенно особую специфику воздействия на человека таких не слишком высоких напряжений. Исследования показали, что минимально опасные напряжения вызывают фибрилляцию не всегда, а только при совпадении с особым циклом работы клапанов сердца. Еще более необычны последствия воздействия более высоких напряжений. Они могут проявиться с временной задержкой вплоть до нескольких часов.

Вот почему, не взирая на сиюминутное состояние пораженного человека, его следует немедленно отправить под квалифицированный медицинский контроль. Естественно, что любые работы на протяженных коммуникациях в грозовой обстановке должны быть запрещены.

Тераваттный лазер - революция в молниезащите? Мнение профессора Э.М. Базеляна Вебинар профессора Э.М. Базеляна «Активные» молниеотводы и защита от них» Почему при проектировании молниезащиты важно учитывать трассировку подземных коммуникаций Заземление и молниезащита подземного бункера