Вебинар "Электромагнитная совместимость с молнией. Постановка задачи и основные проблемы". Страница 2

Двадцатый вебинар из серии "Заземление и молниезащита: вопросы и проблемы, возникающие при проектировании"

Наводки в экранированном кабеле

— Теперь еще об одной особенности, особенность вот какая. Очень часто в земле, а то и в воздухе прокладывают экранированные линии 220 В – 380 В. Типичный пример вот какой: стоит стойка – осветительная люстра, эта осветительная люстра используется как молниеприемник, а на ней весят осветительные приборы, которые освещают территорию подстанции или территорию маневровых путей и железной дороги или что-нибудь подобное. И в этом случае ток молнии протекает по металлу этой самой стойки или по металлу специальной трубы, в которой проложены провода, создает падение напряжение снова по закону Ома. Ток молнии надо умножить на сопротивление заземления этой трубы. Если вы это сделаете, то увидите следующую вещь: трубы, как правило, стальные и не очень толстые, сопротивление заземление у них доли Ома, но и молния может доходить до 100 кА. Поэтому перенапряжение на внутренней жиле это самой «чертовщины» относительно оболочки здесь внутри, оно может находиться на уровне тех самых единиц киловольт, о которых я говорил. Но благоприятна вот какая ситуация: если у вас там внутри пучок жил, то перенапряжение относительно корпуса у каждой жилы будет, а перенапряжения между жилами не возникнет. И вот что я сейчас произнес и то, что является «липой» достаточно глубоко заложено в сознание очень многих инженеров и даже хороших специалистов. На самом деле ситуация вот какая: перенапряжения между жилами этой металлической оболочки действительно не будет, но при одном единственном условии: если эта оболочка имеет идеальное круговое сечение одинаковую толщину и все сделано из одинакового материала. А если эта оболочка не круговая, а такая эллиптическая, как здесь показано, то у вас ток молнии, его погонная плотность меняется в зависимости от радиуса кривизны оболочки. Здесь она одна, а там совсем другая. Внизу график, который показывает, как меняется плотность тока по длине оболочки для коробов прямоугольного сечения. Здесь короб прямоугольного сечения с отношением сторон длины к ширине – 4:1. Посмотрите, пожалуйста, у вас резко на углах увеличивается плотность тока. И если там на этих углах будут находиться шины, то между этими двумя шинами возникает достаточно сильное перенапряжение. И по этой причине применение круговых оболочек – это хорошо, а применение оболочек другого сечения, например, прямоугольного – это дело малопривлекательное. И к нему нужно относиться с очень большой осторожностью, его надо специальным образом рассчитывать, но этот вопрос у нас будет естественно на следующих семинарах.

Индуцированная наводка от молнии

— Теперь собственно само электромагнитное воздействие. Здесь вроде бы все просто. У вас течет ток по проводнику и не важно, что это за проводник, это может быть канал молнии, это может быть молниеотвод, это может быть токоотвод, не имеет значения, где течет ток, важно – какой это ток. И этот ток создает в любом контуре ЭДС магнитной индукции, которая определяется известной формулой из школьного курса физики. Если посмотреть, что здесь за величины, то получится следующая вещь. Нужно учесть что ток молнии может иметь скорость роста – 2*1011 А/с и тогда на расстоянии примерно 10 метров в контуре 1 метр будет наводиться ЭДС магнитной индукции величиной в 4 кВ. Смертельно опасная ЭДС и естественно с этой ЭДС нужно уметь бороться и уметь что-то делать.

Электростатическая индукция

— Есть еще другой вид индукции уже электростатической. Про эту индукцию известно не очень много и не очень хорошо, хотя дело это элементарно простое. Смотрите, у вас есть какой-то объект, здесь я показал так резервуар с топливом, развивается молния, молния тащит с собой электрический заряд. Этот электрический заряд наводит заряд противоположного знака на объекте. Ничего страшного в этом нет, потому что молния движется медленно со скоростью примерно 200 – 300 м/мс и в результате этого дела здесь медленно из земли вытекают заряды и эти заряды располагаются на поверхности этого резервуара. Теперь молния дотянулась до земли и ударила в землю или ударила в молниеотвод – это не имеет никакого значения. Теперь этот заряд с канала молнии исчезает, потому что, заземляясь, она приобретает потенциал земли. Но исчезновение этого заряда происходит в течение главной стадии молнии очень быстро. Речь уже идет о времени не в миллисекунды, а в микросекунды. И из-за того что этот наведенный заряд должен вернуться назад в землю через заземлитель за очень короткое время, у вас токи, которые текут через заземлитель, получаются достаточно большими, это примерно килоамперные токи. И эти килоамперные токи на сопротивление заземления, скажем, в 10 Ом вызывают падение напряжения в десяток киловольт снова в очень опасный для коммуникаций объект.

Традиционные средства защиты

— Собственно если говорить о природе электромагнитных воздействий, то понимаете, все что я вам сказал, можно уложить в главу книги, которая имеет объем в 20 страниц от силы. А теперь задача, которая стоит перед проектировщиками и задача, которая стоит перед специалистами – это задача такого сорта: как мне постараться уменьшить все эти «бяки» не используя УЗИП, используя только традиционные средства защиты? Этот вопрос он действительно сверхважный. И вот я начинаю с простого – молниеотводы. Что можно сделать с молниеотводами? Я еще раз повторю, что молниеотвод, принимая на себя удар молнии, ни в коем случае не уменьшает ее электромагнитного воздействия. Что же может сделать проектировщик?

Переход к мультиэлектродным системам

— А проектировщик может сделать вот какую вещь: ему нужно обеспечить надежность защиты объекта от прямых ударов молнии с той надежностью, с которой он получил задание от заказчика. Это можно сделать стержневыми молниеотводами, можно тросовыми, можно одним молниеотводом, а можно десятком молниеотводов. Вопрос: а как сделать так, чтобы молниеотводы были как можно более низкими при той надежности защиты, которая нужна? Потому что низкий молниеотвод не потащит из дали к себе удар молнии, а высокие молниеотводы сделают это обязательно. Хотите пример? На космодроме «Восточный» стоят два 150 метровых молниеотвода, эти молниеотводы как минимум где-нибудь два удара в год будут тащить на стартовую позицию, на себя. И вся электроника стартовой позиции будет находиться под воздействием опасных перенапряжений как минимум два раза в год. Можно уменьшить высоту молниеотвода? Можно. Смотрите, я решаю такую задачу: у меня есть резервуар высотой в 20 метров и диаметром в 60 метров – здоровый резервуар с топливом. Я его хочу защитить одиночным стержневым молниеотводом, я его хочу защитить с надежностью в 0,99, это значит, что я допускаю один удар молнии из ста. Смотрите, высота молниеотвода в этой ситуации получается 110 метров. Теперь я иду на увеличение числа молниеотводов, два молниеотвода – 50 метров, четыре молниеотвода – 25 метров. Понимаете, я добился того же самого эффекта молниеотводами в четверть меньше высоты, эту цифру можно, конечно, продолжать. И к чему это приведет? Это приведет к тому, что число опасных электромагнитных воздействий на всю автоматику этого самого резервуара у меня резко повысится.

Преимущество тросов

— Но это еще не все, есть следующий шаг. Шаг вот какой. У меня там было четыре стрежневых молниеотвода, которые вам привел, а теперь я делаю следующую вещь: я на эти четыре стержневых молниеотвода вешаю систему тросов, которые окантовывают по внешнему периметру резервуар. Посмотрите, на четырех молниеотводах этого объекта у меня высота требовалась почти в 40 метров, здесь объект 100х100х20 метров, а у тросов вместо 40 метров получается примерно 29. Учтите, что число ударов молнии сокращается пропорционально квадрату высоты и поэтому у меня примерно в полтора раза число опасных воздействий будет уменьшено. Но и это не все.

Экранирующий эффект короны

— Если у меня есть тросовые молниеотводы, то я могу от этих тросовых молниеотводов возбудить коронный разряд, который заполнит атмосферу над защищаемой системой объемным зарядом и этот объемный заряд создавая экранирующий эффект снова увеличит надежность защиты. Посмотрите, пожалуйста, что было бы без короны, а что станет с короной. То есть у меня все время увеличивается надежность защиты без увеличения высоты молниеотвода. Эта ситуация и является главной. Выбирая молниеотвод нужной системы главным образом тросы вместо стрежней и многократные элементы вместо однократных, я могу увеличить очень сильно эффективность защиты при малой высоте молниеотводов.

Эффективность тросовой молниезащиты

— Посмотрите, что получается по последней нашей разработки. Если я возьму мультитросовую систему, то есть систему экранирующих тросов, то у меня надежность защиты наверняка будет не ниже чем 0,999. Сказать сколько девяток на самом деле очень тяжело, потому что сегодня нет такой надежности расчетов, но что это будет не меньше 0,999 – это точно. Число ударов молнии в систему, которое приводит к электромагнитным наводкам, оно уменьшится в 2,5 раза как минимум, а то и в 3 – это второй момент. Третий момент вот какой. Я стойки тросовых молниеотводов могу вытащить за защищаемую территорию, и тогда у меня ток от опор молниеотводов не попадет в контур заземления объекта, и наводок там тогда не будет – это третий эффект. Наконец есть еще и четвертый эффект, это эффект вот какой. Конечно, сами тросы создадут какое-то электромагнитное поле, но это поле оказывается существенно слабее того, которое было бы, если бы у вас были стержневые молниеотводы.

Дробление тока молнии по токоотводам

— Примерно таким образом можно оптимизировать, я подчеркиваю, что традиционную молниезащиту, используя многократные молниеотводы вместо однократных стрежневых и тросовые вместо стрежневых молниеотводов. Теперь второй момент: как отводить ток молнии? Вот у вас ударила молния в объект, вы отводите ток через токоотводы. Ваша задача заключается в том, чтобы раздробить этот ток по максимально большому числу токоотводов. Посмотрите, вот у меня шаг токоотводов, а вот напряженность магнитного поля, которое находится внутри здания примерно на расстоянии 1 метр от его стенки. Посмотрите, если я возьму традиционный шаг – 10 метров, который записан в СО-153 как самый минимальный, то такое у меня будет магнитное поле. А если я возьму шаг в 2 метра, оно будет таким. Но вы скажите: «Где вы найдете такого балбеса, который будет шагом в два метра устанавливать токоотводы?». Конечно, не найдете. Но только вы не забывайте вот какую вещь, что вместо этих токоотводов можно использовать проводящие элементы конструкции здания: металлические колонны, железобетонные колонны – у них арматура. И самое главное – это использовать арматуру стеклопакетов. Сегодня очень много у промышленных, офисных зданий внешние стены представляют стеклопакеты. Соедините эти стеклопакеты сверху до низу и у вас каждая арматура такого стеклопакета будет токоотводом. И по ним пойдет ток молнии и у вас в десятки раз уменьшится электрическое поле во внутреннем объеме здания. А это значит, что и уменьшится наводка.

График снижения наводки

— Еще один момент вот какой: я хочу подчеркнуть, что такой эффект он очень сильный и большой тогда когда вы находитесь непосредственно у стенок. Смотрите, это шаг в 10 метров, а это шаг в 1 метр, в сто раз уменьшилась наводка. Если далеко от стен, то эффекта практически не будет, но там и наводки нет никакой. А у стен, где близко токоотводы там наводка снижается и очень сильно.

УЗИП и его плавкая вставка Молниезащита объектов в районах вечной мерзлоты Молниезащита и заземление для базовых станций стандарта 5G Анализ нормативного документа ФЕДЕРАЛЬНЫЕ НОРМЫ И ПРАВИЛА В ОБЛАСТИ ПРОМЫШЛЕННОЙ БЕЗОПАСНОСТИ "ПРАВИЛА БЕЗОПАСНОСТИ ПРИ ВЗРЫВНЫХ РАБОТАХ" 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