В молниезащите нельзя без эксперимента

Э. М. Базелян, д.т.н., профессор;
признанный отечественный Эксперт в области заземления и молниезащиты

В известном зарубежном фильме один из героев мрачно заявляет, что он не хотел бы жить в эпоху больших перемен. На последнем вебинаре мы убедились, что подобная жизнь в молниезащите гарантирована нам достаточно продолжительное время и с этим трудно что-то поделать. В результате этого вебинара вероятно и возникло письмо одного из слушателей, длительной неопределенности не желает и пытается изменить ситуацию волевым путем, а главное, - без особых проблем и материальных затрат. Среди прочего он задает следующие вопросы о возможности реализации вполне конкретных мероприятий, способных, по его мнению, быстро упорядочить методику проектирования средств молниезащиты. Вот наиболее важные из них:

Можно ли теоретически, до получения статистики токов молнии на равнинной местности с помощью цифровых датчиков, с какой-либо погрешностью внести поправку в данные, собранные СИГРЭ в высокогорных регионах?
Где взять методику учета надежности защиты для молний с конкретным током?
Можно ли применять методику определения сопротивления заземления с учетом динамики изменения сопротивления заземления во временном диапазоне до 500 мкс, предназначенную для грунтов до 100 Ом м, для морской или речной воды с удельным сопротивлением 1 Ом м или 50 Ом м?
Можно ли считать вопрос о безопасном значении напряжения прикосновения и шага при молниевых разрядах решенным , если в новом ГОСТ Р 12.1.038 - 2 ЭЛЕКТРОБЕЗОПАСНОСТЬ, утвержденным 22.05.2024г. пунктом 11.4 указано "Предельно допустимые напряжения прикосновения для импульсов от молнии должны быть приняты ( с учетом сведений о параметрах токов молнии в ГОСТ Р МЭК 62305- 1) не выше 6 кВ, а предельно допустимые напряжения шага – не выше 15 кВ"

Появление запроса вполне понятно и в какой-то степени закономерно. Оно связано с изменением отношения к законодательным документам и, в первую очередь, к ГОСТ, исполнение которого стало необязательным, а лишь в том случае, когда производитель утверждает, что изделие выполнено по требованиям конкретного ГОСТ. Правда и здесь существует исключение, связанное с обеспечением электробезопасности. Претендуя на нее, исполнитель обязан в обязательном порядке выполнить все нормирующие требования соответствующих ГОСТ.

Кроме ГОСТ существуют и ведомственные нормативные документы. В их значимости и обязательности легко запутаться, а это в определенной степени вроде бы развязывает руки проектировщику. Поэтому есть смысл в анализе заданных в письме вопросов, тем более что они реально весомы для разрешения конкретных задач практической молниезащиты.

1. Теоретическая корректировка параметров тока молнии

Возможна ли она в практике молниезащиты, - этому вопросу без малого сотня лет. Строились ВЛ в высокогорье и ответ на него был принципиально важен. Актуален он и сегодня, тем более что мало кто верит традиционным тогда измерениям тока молнии на опорах ВЛ при помощи магниторегистраторов. Предложение о вводе теоретической поправки в регистрации СИГРЭ, осциллографически выполненные в высокогорье, вроде бы представляются не лишенными смысла. Какова же может быть реальная методика такой оценки?

Разработав теорию формирования тока молнии в равнинной местности, нужно получить поправочный коэффициент для высокогорных осциллографических записей, собранных СИГРЭ, а потом с его помощью получить значение тока молнии на равнине для какой-либо конкретной вероятности. Совпадение полученного расчетного значения тока с непосредственно измеренным на равнине докажет правомочность методики пересчета.
Короткое содержание этого методологического абзаца на деле не облегчает ситуации, потому что для определения вероятности конкретного тока на равнине потребуется накопить всю необходимую статистику их значений. Иными словами, придется выполнить полный объем их измерений, о которым и шла речь на вебинаре. Все остальное окажется бездоказательным, потому что любое теоретическое построение иначе просто не проверить.

Можно, конечно, опираясь на поговорку о каше, которую нельзя испортить любой порцией масла, поверить в достоверность теории какого-то сильно уважаемого специалиста и ввести найденный им с запасом поправочный коэффициент. Только подобная операция стоит вполне реальных денег на устройство неоправданно надежной защиты от излишне повышенных токов. И деньги эти в буквальном смысле без пользы придется закапывать в землю, предполагая направить туда ничем не обоснованный повышенный расчетом ток молнии.

Дело явно бессмысленное. Избежать массовых регистраций тока молнии на равнине для объектов ординарной высоты не получится. Прямые измерения компьютером не заменишь.

2. Вероятность удара молнии с конкретным током в защищаемый объект

Методика подобного расчета была разработана специалистами ЭНИН им. Г.М. Кржижановского в рамках договора № 10-17 с кафедрой ТВН МЭИ, который завершился еще в 2018 г. В настоящее время ЭНИН прекратил свое существование в качестве научного подразделения. По указанной причине вопрос о знакомстве с методикой и программой расчета числа прорывов к объекту молний с током, превышающим заданный уровень, может быть разрешен только при общении с руководством кафедры Техники высоких напряжений МЭИ.

Закономерен иной подход к сформулированной задаче. Он касается целесообразности освоения новой методики при проектировании молниезащитных мероприятий. Ее решение в настоящее время не следует связывать исключительно с отсутствием узаконенной методики в существующих нормативных документах. При острой необходимости работа по корректировке нормативной базы может быть выполнена без особых проблем соответствующими директивными органами.

Более проблематично иное. Следует понимать технологическое состояние той отрасли техники, для которой осуществляется проектирование средств и методов молниезащиты. Совершенно очевидно, что усложненная методика расчета вероятности прорыва молнии с током, превышающим опасное пороговое значение, имеет смысл лишь тогда, когда это значение является уже известным расчетным параметром при проектировании. В иной ситуации методика окажется абсолютно бесполезной и не приведет к конкретным уточняющим результатам.

Автор обсуждаемого письма занимается маломерными судами. Устойчивость их оборудования к воздействию молнии вряд ли была предметом экспериментальных исследований. Соответствующие параметры вряд ли представлены изготовителем судна в сопровождающей их документации и скорее всего не могут быть использованы в проектных расчетах. В подобной ситуации усложнение методики проектирования нельзя считать оправданным и рекомендовать для практического применения. Весомым оправданием проектировщику может послужить его вполне разумная лень.

Необходимо принять во внимание, что оценка молниестойкости защищаемого объекта в большинстве практических ситуаций представляет собой сложную экспериментальную задачу. Для ее решения требуется специализированное экспериментальное оборудование, которым, как правило, не располагают отечественные высоковольтные лаборатории. Целесообразно начинать работу именно с их создания, с нормирования методики испытаний и формулировки предписаний об ее обязательном исполнении. Только тогда разработанная методика оценки вероятности прорыва молнии с конкретным током перестанет быть красивым заделом на удаленное будущее и позволит вести разработку молниезащиты без излишних запасов, компенсирующих неопределенность проектных оценок.

3. Методика расчета динамики изменения сопротивления заземления

Нормативные документы по молниезащите не включают в свой состав методику расчета параметров электрических цепей, которыми занимаются теоретические основы электротехники на основе фундаментальных законов электростатики и электродинамики. Сопротивление заземления системы проводников в проводящей среде является одним из таких параметров. Как правило, для его расчета необходимо принять во внимание скин-эффект в проводящей среде, а иногда и в самом проводнике, индуктивность протяженного проводника, изменение размеров проводника за счет ионизационных процессов. Описание таких процессов подчиняется известным фундаментальным физическим законам и не нуждается в формировании специальных нормативных требований в документах по молниезащите. Естественно, методика расчета обязана включать правильно подобранные параметры заземляющих проводников и окружающей их проводящей среды, что определяют их проводимость, индуктивность, емкость, параметры скин-эффекта, а при необходимости, и ионизационные процессы в окружающей среде.

Любой специалист может создать собственную расчетную методику или воспользоваться уже опубликованной, если, конечно, ее результаты апробированы опытом и в нее введены достоверно те исходные параметры среды, что упомянуты выше.

Методика расчета динамики изменения сопротивления заземления

Есть основания полагать, что сущность вопроса, заданного в письме, в значительной степени касается удельного сопротивления грунта. Опыт показывает, что этот параметр не остается неизменным, но способен изменяться в достаточно широких пределах в зависимости от плотности тока в грунте, его временных параметров и химического состава почвы. В специальной литературе на эту тему опубликовано достаточно много результатов. Автор настоящей статьи не считает себя специалистом в процессах, ответственных за изменение удельного сопротивления грунта и его влияния на условия растекания там тока молнии. Исключением является лишь искровой разряд, скользящий в воздухе при непосредственном контакте с поверхностью проводящей среды. Наиболее значимым в таком газоразрядном процессе является проводимость утечки тока через контактирующую поверхность. Ее химический состав особого принципиального значения не имеет. Это может быть грунт, вода или какая-то иная проводящая жидкость.

Скользящий искровой разряд экспериментально исследован в грунте различного состава и различного удельного сопротивления, а также вдоль поверхности воды. Его теоретическое описание дает результат, хорошо совпадающий с экспериментом при импульсном токе с временными параметрами тока молнии. Амплитуда тока в отдельных экспериментах достигала 85 кА. Диапазон экспериментально обследованных длин искровых каналов превысил 30 м. Не существует особых сомнений в том, что развитая теория позволит достоверно описать скользящие искровые каналы и в морской воде с ее низким удельным сопротивлением. Тем не менее, мой опыт экспериментальных исследований заставляет предупредить читателя о том, что любая теория, созданная для решения прикладных задач, нуждается в обязательной экспериментальной проверке. В этом отношении морскую воду вряд ли можно посчитать особым исключением.

А в заключение этого короткого раздела статьи полезно напомнить следующее:

Все действующие методики расчета грозовых перенапряжений, в отечественных нормативных документах по молниезащите оперируют только постоянными значениями сопротивлений заземления. Без законодательного уточнения нормативной базы процесс скорее всего с мертвой точки не сдвинется.

4. Проблема электробезопасности

Сущность возникшей проблемы связана с тем, что в ГОСТ Р 12.1.038 - 2 ЭЛЕКТРОБЕЗОПАСНОСТЬ, утвержденном 22.05.2024, пунктом 11.4 гарантируется безопасность напряжения прикосновения до 6 кВ и напряжения шага до 15кВ.

Физиологическое обоснование предельно допустимых значений напряжения в ГОСТ не приводится. Их соотношение с предписаниями ГОСТ Р 70646.2-2023 (IEC 60479- 2.2019) не обсуждается, хотя в последнем нормативном документе представлены значения импульсного тока, приводящие к фибрилляции сердца, смертельно опасной для человека.

Рис. 1 Зависимость от тока по пути рука-нога времени воздействия для возбуждения фибрилляции сердца

Сплошная кривая на графике дает вероятность фибрилляции н уровне 5%, пунктирные кривые – на уровне 50% и более. Значения опасного тока представлены на оси абсцисс в зависимости от времени его воздействия, указанного на оси ординат.

Анализируя возникшую ситуацию, необходимо иметь в виду, что данные о безопасных напряжениях в обсуждаемом ГОСТ Р 12.1.038–2 относятся только к отрицательным молниям, о чем четко указано в его разделе 11.1. Пересчет их значений на кривую рис. 1, задающую условия возбуждения фибрилляции, был выполнен при разработке ГОСТ и действительно подтвердил безопасность напряжения прикосновения вплоть до 6 кВ для тока с временными параметрами нормированных токов отрицательных молний. Однако, это обстоятельство не снимает проблемы полностью, поскольку достоверные осциллографические регистрации указывают на вероятность поражения наземных сооружений положительными молниями с импульсным током, длительность которого в состоянии превысить 1000 мкс, вместо 350 мкс, нормированных для тока отрицательной полярности. Положительные молнии никак нельзя рассматривать как экзотику. В равнинной местности они составляют около 10% от суммарного числа грозовых разрядов, а с повышением высоты сооружения их доля возрастает. Принципиально важно, что с увеличением длительности воздействия тока порог фибрилляции заметно снижается. Указанное обстоятельство вынуждает к обязательному выполнению контрольной проверки, которая должна быть проведена с учетом реальных временных параметров положительных молний.