Реальность изолированной молниезащиты

Вопрос в равной степени интересен фирмам-изготовителям, поставляющим на рынок совсем не дешевые комплектующие для монтажа такой молниезащиты, и пользователям, соблазненным разом покончить со всеми опасными последствиями воздействия тока молнии. Поверив убедительным рекламным проспектам, пользователи подчас готовы забыть, что в технике не бывает универсальных решений. Сфера эффективного применения любого ограничена вполне конкретными рамками и нужно отчетливо понимать, где расположены их границы. Чтобы отыскать сферу применения, нужно детально проанализировать и предлагаемые защитные средства, и собственно объект защиты. Пользователь заинтересуется изолированной молниезащитой, когда ему требуется исключить распространение тока молнии по каким-то связанным с землей металлоконструкциям защищаемого объекта либо устранить опасность поражения людей при соприкосновении с токоотводами. В отдельных случаях может возникнуть задача ослабления электромагнитных наводок или напряжения на заземляющем устройстве.

Рис. 1
Принципиальное устройство изолирующей молниезащиты для антенной системы

Конструктивное исполнение изолированной молниезащиты особых вопросов не вызывает (рис. 1). Устройство должно исключить растекание тока молнии по конструктивным элементам защищаемого сооружения (кроме его заземлителя, если это не оговорено специально). Для этой цели металлический молниеприемник устанавливается на изолированной опоре, электрическая прочность которой должна гарантировать отсутствие пробоя на заземленные металлоконструкции. Ток молнии от молниеприемника транспортируется к земле по изолированному токоотводу. Электрическая прочность его изоляции тоже должна обеспечивать отсутствие пробоев на защищаемое сооружение, а также на человека, прикоснувшегося к токоотводу. Токоотвод должен доставить ток молнии к заземляющему устройству, предназначенному для его безопасного растекания.

В этом кратком перечислении достаточно конструктивных моментов, которые требуют серьезного и далеко не всегда простого анализа.. В рекламных проспектах трудно отыскать его детали. Нужна собственная работа.

Размеры изоляционной стойки

Начинать придется с напряжения перекрытия стойки молниеприемника. Здесь возможны два принципиально различных варианта. В первом из них рассматривается действительно полностью изолированная система молниезащиты, когда ток молнии вводится в специально созданный для этой цели заземлитель, удаленный от заземлителя защищаемого сооружения на расстояние, исключающее реально значимую кондуктивную связь через грунт. Во втором варианте для отвода тока используется собственный заземлитель объекта. Вполне очевидно, что требования к изоляции стойки молниеприемника более жесткие в первом варианте, когда ток молнии минует заземлитель объекта и потому все его металлические элементы находятся под потенциалом близким к нулю, тогда как потенциал молниеприемника определяется суммой напряжений на индивидуальном заземлителя и связанном с ним токоотводе.

Если стойка полностью диэлектрическая и не имеет металлической арматуры, напряжение ее перекрытия не очень сильно отличается от напряжения пробоя воздушного промежутка той же длины с резко неоднородным распределением электрического поля. Для стандартного грозового импульса с временными параметрами 1,2/50 мкс речь идет о средней пробивной напряженности, приблизительно равной E_br ≈ 500 кВ/м. Так было бы, если бы напряжение на изоляционной стойке создавалось только током через заземляющее устройство с сопротивлением заземления R_gr. В действительности к нему добавляется еще и кратковременное падение напряжения на индуктивности токоотвода, величина которой в первом приближении может быть оценена как 1 мкГн на метр длины. Набирается вполне приличная величина. Для обычных жилых и офисных зданий это примерно L_w = 20 – 40 мкГн, а для протяженных токоотводов, связанных с индивидуальным заземлителем, в 2 – 3 раза больше.

Итак, напряжение на изоляционной стойке молниеотвода определяется как

Если производить оценку для нормированного импульса 10/350 мкс, воспроизводящего первый компонент молнии, при амплитуде импульса 100 кА (III уровень защиты), индуктивная составляющая перенапряжения не будет особо весомой, поскольку крутизна фронта нормированного импульса составит всего 10¹⁰ А/с. На индуктивности токоотвода 20 – 40 мкГн это обеспечит падение напряжения 200 – 400 кВ. Как правило, на сопротивлении заземления молниеотвода будет заметно больше. Например, даже на вполне качественном сопротивлении заземления 10 Ом при токе 100 кА напряжение поднимется до 1000 кВ.

Во многих реальных условиях заземляющее устройство молниеотвода с сопротивлением заземления 10 Ом представляется недостижимой роскошью, а именно этот параметр является определяющим при оценке воздействующего перенапряжения. Нужно иметь в виду и то обстоятельство, что ток первого компонента молнии по временным параметрам может очень существенно отличаться от нормированного импульса 10/350 мкс. В частности, его фронт может быть достаточно коротким, вплоть до 1 мкс. Тогда крутизна фронта вырастет до 10¹¹ А/с, соответственно увеличив индуктивную составляющую перенапряжения на порядок величины. С оценкой электрической прочности при таких воздействиях специалистам приходится встречаться постоянно, решая задачу о грозовых перенапряжениях на линиях электропередачи высокого напряжения, где используются изоляционные воздушные промежутки длиной в несколько метров. Одно из простых и общепринятых решений сводится к использованию вольтсекундной характеристики, которая задает .электрическую прочность изоляции как функцию времени воздействия перенапряжения t. В частности, удовлетворительный результат дает давно предложенная эмпирическая формула

Если подставить в нее время фронта t = 1 мкс, можно убедиться, что при столь кратковременных воздействиях перенапряжения электрическая прочность изоляционной стойки возрастет примерно в 1,7 раза и станет равной приблизительно 850 кВ/м вместо привычных 500 кВ/м

Есть смысл выполнить примерную оценку требуемой длины стойки для вполне типичных расчетных параметров, снова ориентируясь на III уровень защиты. Положим, что для отвода тока молнии предполагается использовать индивидуальный заземлитель с сопротивлением заземления R_gr = 10 Ом, а длина токоотвода, доставляющего к нему ток молнии составляет 30 м и потому обладает индуктивностью L_w ≈ 30 мкГн. Оценка по (1) для нормированного импульса 10/350 мкс амплитудой 100 кА дает амплитуду суммарного перенапряжения 1300 кВ, а электрическая прочность при t = 10 мкс согласно (2) не будет сколько-нибудь заметно отличаться от E_br = 500 кВ/м. Это приведет к оценке длины изоляционной стойки d = 1300/500 = 2,6 м.

Аналогичная оценка для другого предельного случая, когда фронт импульса тока принят равным 1 мкс, дает амплитуду перенапряжений 4000 кВ, что при E_br =850 кВ, соответствующей времени t = 1 мкс, потребует изоляционную стойку длиной d = 4000/850 = 4,7 м .Последний расчетный вариант следует рассматривать как определяющий, потому что импульс тока первого компонента с длительностью фронта 1 мкс – вполне реален.

При вводе тока в собственный заземлитель требования к изоляции стойки заметно облегчаются. Теперь на нее действует только напряжение на токоотводе, равное 3000 кВ даже при учете импульсного тока в 100 кА с длительностью фронта 1 мкс. Оценка, аналогичная приведенной выше, дает длину изолированной стойки в 3,5 м.

Установить изоляционную стойку длиной даже в 4-5 м не слишком большая проблема. Но не стоит забывать, что такой она получилась либо при достаточно качественном индивидуальном заземляющем устройстве молниеотвода либо при использовании для отвода тока молнии собственного заземлителя защищаемого объекта. В случае же использования индивидуального заземлителя в первом приближении длина изоляционной стойки прямо пропорциональна величине его сопротивления заземления. По этой причине при устройстве изолированной молниезащиты в районах с грунтами низкой проводимости для отвода тока молнии предпочитают использовать собственный заземлитель защищаемого объекта.

Требования к токоотводу

Речь снова пойдет об электрической прочности изоляции. На этот раз задача представляется заметно сложнее. Конечно, токоотвод, как и молниеприемник можно разместить на изоляционных стойках, удалив его на безопасное расстояние от металлоконструкций защищаемого сооружения. Трудно представить, что такое решение (рис. 1) доставит удовольствие пользователю, но тем не менее главная задача все-таки

Рис. 2
К оценке напряжения прикосновения

будет решена. Останется только разрешить вопрос об изоляции токоотвода в местах, доступных для прикосновения. Здесь время вспомнить об изолированных токоотводах. Их выпускают многие фирмы, гарантируя твердую изоляцию с пробивным напряжением около 100 кВ. Много это или мало? Цифра требует конкретной оценки.

На рис. 2 типичная расчетная схема. Точка контакта с токоотводом расположена на высоте l = 1,5 м, человек удален на расстояние b = 1 м. Для токоотвода радиусом r₀, нагруженного током I_M, напряжение прикосновения оценивается известным расчетным соотношением

При указанных здесь размерах и радиусе токоотвода r₀ = 1 см расчет для импульсного тока крутизной dI_M/dt = 10¹¹ А/с (III уровень защиты) вычисления по (2) дают

Это значит, что электрическая прочность типовых изолированных токоотводов может быть недостаточной. Приходится ориентироваться на два токоотвода, разделив таким образом пополам ток молнии. Не нужно видеть в этом какую-то дополнительную неприятность, поскольку нормативные документы по молниезащите требуют как минимум именно двух токоотводов.

Вебинар "Программное обеспечение для расчёта надёжности молниезащиты любого объекта за 30 минут." Страница 3 Вебинар "Молниезащита больших территорий: парки, площадки, территории заводов." Страница 1 Вебинар "Молниезащита больших территорий: парки, площадки, территории заводов." Страница 2 Вебинар "Молниезащита больших территорий: парки, площадки, территории заводов." Страница 3