Молниезащита нефтегазовых объектов

Нормативные требования

Рассматривая тему заземления молниеотводов, мы вновь вынуждены опустить нормативы СО 153–34. 21. 122-2003, которые не выражают каких-либо конкретных условий или требований. Формуляр РД 34. 21. 122-87 регламентирует нормативные требования заземления без проникновения в сущность вопроса, да и то они касаются конструктивных особенностей заземляющих сооружений, а не уровня сопротивления заземления. К примеру, для обособленных молниеотводных сооружений РД 34.21.122-87 описывает обустройство фундаментных оснований и конструкцию специального заземлителя. Интервалы между стержневыми электродами заземлителя и глубина вертикального погружения электродов представлены на рисунке 1.

Рисунок 1. Минимальные параметры заземлителя из полосы и трех вертикальных стержневых электродов по РД 34.21.122-87^*

Формуляр не выражает никаких требований к изменению размеров стержневых электродов в соответствии с удельным сопротивлением почвы. Остаётся полагать, что авторы формуляра считают конструкцию специального заземлителя и габаритные размеры его элементов пригодными для всех типов грунтов. Динамика роста сопротивления заземления R_gr конструкции показана на линейном графике рисунка 2.

Рисунок 2. Величина сопротивления заземления типового заземлителя из РД 34.21.122-87^*

Стандарт компании ОАО «Транснефть», в том числе, включает таблицу с нормированными данными сопротивлений заземления молниеотводных конструкций (таблица 1). Таблица содержит значения сопротивлений заземления для опор воздушных линий электропередачи с проектным напряжением не менее 110 кВ. Авторы Стандарта цифра в цифру скопировали табличные данные с последнего издания свода нормативных актов Правил устройства электроустановок (ПУЭ). С одной стороны, жёсткие нормативы Правил вполне объяснимы. Сопротивление заземлений опор воздушных ЛЭП существенным образом влияет на уровень атмосферного перенапряжения в элементах линейной электроизоляции. С другой стороны, мотивация распространения нормативов на заземляющие конструкции молниеотводов сомнительна и непонятна. В условиях высокоомных почв требования Правил разумными и обоснованными конструкторскими решениями реализовать невозможно. В подтверждение сказанного, на рисунке 3 приведены данные расчёта заземляющей конструкции молниеотвода, сборка которой представляется, как минимум, нереальной, а как максимум – фантастической. Сооружение монтируется в виде квадратной конструкции. Величина стороны квадрата отмечается по оси абсцисс. Расчёт приведен для двух исходных модификаций – с погружением в почву на 3 и 10 метров. Исходя из табличных данных, сопротивлению почвы в пределах 5 000 Ом*м соответствует нормированный показатель 30 Ом. По графику видно, при сопротивлении заземления 30 Ом (R_З/ρ = 0,006 м^-1) и ρ = 5 000 Ом прилегающую территорию грозоотводного фундамента нужно заполнить металлом на участке 50 х 50 метров. В таких же условиях, чтобы достичь оптимального сопротивления заземления потребуется горизонтально расположенная шина протяжённостью в полкилометра и более.

Таблица 1^*

Рисунок 3. К оценке возможностей выполнения требований стандарта ОАО «Транснефть» при помощи сосредоточенного заземления^*

Принимая в учёт сложность изготовления подобного сопротивления заземления, Стандарт предусматривает химическую обработку почвы в месте монтажа либо частичную замену объёма почвы.

Чтобы оценить объём предполагаемых работ, рассмотрим стандартную ситуацию с использованием заземляющего полусферического электрода. Потенциал полусферического электрода (рисунок 4), расположенного в двухслойном грунтовом массиве (вне зависимости от способа предварительной подготовки почвы – химической обработки либо частичной замены определённого сегмента), вычисляется по формуле:

Рисунок 4. Потенциал полусферического электрода в двухслойном грунте^*

Исходя из этого, точное сопротивление заземления вычисляем по формуле:

В идеальном варианте, когда частичная замена объёма почвы либо её химическая обработка оказались предельно эффективными и свели удельное сопротивление грунтового массива к нулю, сопротивление заземления:

Эта формула позволяет соизмерить радиус r₁ обрабатываемого участка массива, который в нашем случае равен около 40 метров, что приравнивается к объёму грунтового массива 134 000 м³. Полученное значение объёма грунта, который должен быть обработан, говорит о нереальности (либо нецелесообразности) планируемого мероприятия.

Рисунок 5. Соотношение сопротивления заземления двухлучевого горизонтального заземлителя с толщиной слоя грунта^*

Аналогичные результаты мы получаем при оценивании мероприятий с использованием иных конфигураций электродов. К примеру, рассмотрим двухлучевую заземляющую конструкцию с горизонтально расположенными шинами. Протяжённость каждой шины – 20 метров. Гиперболическая зависимость на рисунке 5 фиксирует снижение сопротивления заземления при вариативном изменении толщины поверхностного грунтового слоя с низкоомными показателями. Нормированное сопротивление 20 Ом достигается при химической обработке (либо замене) верхнего грунтового массива на глубину 2,5 метра. Тут немаловажно понимать, на каком удалении от заземляющей конструкции можно завершить химическое обрабатывание почвы. Помощником в этом служит значение потенциала во внешней плоскости грунтового массива U_(r). Граничной зоной обработки считается линия, за которой потенциал в наружном слое грунтового массива U_(r) значительно ниже потенциала заземляющего электрода U_З = U_(r0).

Рисунок 6. График уменьшения потенциала на поверхности земли в однослойном и двухслойном грунте^*

Однако, и тут каких-либо серьёзных поводов для оптимизма нет. По графику, представленному на рисунке 6 мы видим, что в почвенном массиве из двух слоёв потенциал понижается гораздо инертнее, нежели в однослойной почве с однородным составом.

В нашем случае, потенциал верхнего слоя грунта удерживается в пределах 0,3 U_(r0) даже на стометровом удалении от заземляющей конструкции. Химическая обработка почвы, и тем более частичная замена объёма грунта, в таких условиях представляются чрезмерно затратными. Подобные результаты исследований говорят о том, что к теоретическим и практическим принципам заземления громоотводов нужно подойти более рационально и прагматично, отчётливо понимая при этом целесообразность снижения сопротивления заземляющей конструкции.

Почему следует заземлять молниеотвод?

Вряд ли подзаголовок этого раздела можно назвать банальным. Со дня изобретения молниеотводов их подключают к заземляющим контурам. По-другому громоотводы никак не могут отводить молниевый ток в грунт. Согласно правилам устройства электроустановок, нормирование сопротивления заземления проводится для увеличения безопасности отвода молниевого тока в почву. Сразу же возникает резонное замечание: при чём тут опасность либо безопасность? Ещё раз давайте вернёмся к линиям электропередачи, которые прокладываются по воздуху. В этой системе сопротивление заземлений воздушных ЛЭП напрямую влияет на уровень атмосферного перенапряжения в гирлянде электроизоляторов.

Что касается конструкций молниеотводов, тут ситуация противоположная. Приёмник молниеотвода легко осваивает потенциал электродного заземления. Конечное сопротивление заземления никоим образом не влияет на возможности громоотвода привлекать молниевый разряд. В лабораторных условиях специалисты многократно пытались установить связь между способностью молниеотводных конструкций привлекать разряд и сопротивлением заземления. Попытки оказались тщетными. Этому существует очевидное объяснение, стоит лишь обратить внимание на поведение молнии. Сама по себе она никогда в громоотвод не бьёт. Молниевую ветвь привлекает встречный разряд, а точнее – его плазменный канал. Встречный разряд устремляется от громоотвода к молнии в электромагнитном поле грозовых облаков. Развитие плазменного канала (так называемого встречного лидера) происходит всего лишь при токе в несколько десятков ампер. Если сравнивать потенциал молнии 107–108 В, который она переносит от грозовых облаков, снижение напряжения на сопротивлении заземляющих контуров молниеотвода играет незначительную роль. При сопротивлении на заземляющем контуре 10, 20, 50 или 150 Ом напряжение от десятиамперного тока вряд ли превысит порог 104 В. По сравнению со ста миллионами вольт молнии это напряжение ничтожно мало.

Как известно, главная задача обособленного громоотвода – воспрепятствовать попаданию молнии в защищаемый объект, тем самым предупреждая растекание разряда по металлическим элементам сооружения. Для решения поставленной задачи, расстояния между защищаемым комплексом и громоотводом жёстко нормируются. Это касается и воздушной атмосферы, и поверхности земли. Предположим, воздушный и наземный интервалы между сооружением и громоотводом выбраны корректно и в точности соблюдены. Но даже в этой ситуации ощутимая доля молниевого тока попадает в заземляющий контур защищаемого сооружения. Особенно это актуально, когда функцию заземлителя выполняет железобетонный фундамент защищаемого сооружения с увеличенной геометрией сторон. Данные линейного графика на рисунке 7 показывают величину доли молниевого тока, который проникает в заземляющий контур защищаемого сооружения. Величина доли проникновения зависит от интервала между заземляющими контурами молниеотвода и защищаемого сооружения.

Устройство заземлителя громоотвода представляет собой горизонтальную полосу (протяжённостью 10 метров) с тремя электродными стержнями, длина каждого из которых – три метра. Фундамент комплекса имеет квадратную геометрию 50 х 50 метров, степень заглубления – три метра. Для компьютерного исследования смоделирована ситуация, в которой верхний слой однородного грунтового массива на глубину 2,5 метра замещён высокопроводящим составом, удельное сопротивление которого в 50 раз ниже сопротивления основного грунта. Стандарт ОАО «Транснефть» регламентирует расстояние между защищаемым сооружением и молниеотводом пять метров. Такой изоляционный интервал не является препятствием для проникновения молниевого тока от заземления молниеотвода к заземлению сооружения, тем более, если область почвы вокруг молниеотвода замещена либо химически обработана. Стандарт ОАО «Газпром» регламентирует изоляционный интервал 15 метров. Но даже с таким интервалом доля попадания молниевого тока в заземляющий контур защищаемого сооружения составляет более 50%.

Рисунок 7. Величина тока молнии, попавшая в заземляющий контур объекта через заземление молниеотвода в соотношении с расстоянием между ними^*

Снова-таки возникает сомнение в целесообразности понижения сопротивления заземления. В ракурсе этой проблематики остаются не рассмотренными два аспекта – шаговое напряжение и образование искровых каналов. Что касается образования искровых каналов, эта тема будет раскрыта в отдельном разделе работы. По поводу шагового напряжения, очевидно, что оно напрямую зависит как от конструктивных особенностей заземляющего контура молниеотвода, так и от контурного сопротивления заземления. Функция на графике 8 показывает динамику понижения шагового напряжения при удалении от заземляющего контура молниеотвода.

Рисунок 8. Динамика понижения шагового напряжения^*

Замещение однородного грунтового массива высокопроводящим низкоомным составом на глубину 2,5 метра теоретически эффективно. В прилегающей к громоотводу области шаговое напряжение превосходит этот параметр более чем в два раза. Однако, на практике анализ абсолютных значений в десятиметровом удалении от заземляющей конструкции показывает Uшаг/IМ ≈ 0,5. Это свидетельствует о том, что молниевый ток с амплитудой 100 кВ формирует шаговое напряжение, ни много ни мало, более 50 киловольт! Такое напряжение никак не может считаться безопасным для находящихся вблизи заземляющего контура людей. И снова-таки, каких-либо рекомендаций о допустимой величине шагового напряжения при растекании молниевого тока ни в одном нормативном документе найти невозможно. Очередной вопрос по теме эффективной и безопасной молниезащиты нефтегазовых объектов остаётся без ответа.

Каким образом рассчитать заземляющий контур?

В этом подразделе мы вновь касаемся возможности выполнения нормативных требований при разумном финансировании мероприятий по технике безопасности. Эффективность работы молниезащитных средств практически не зависит от уровня сопротивления заземляющих средств. Повышенное либо пониженное сопротивление заземления никоим образом не связано со степенью разрушений, причиняемых молниевым разрядом на территории перерабатывающих комплексов или в резервуарном парке. Поэтому весьма заманчиво попытаться соблюсти нормативные требования Стандартов без дорогостоящих мероприятий по частичному замещению объёма грунтового массива либо химической обработке почвы.

Собирать заземляющие контуры для каждого обособленного громоотвода целесообразно лишь в низкоомных почвах, в которых даже простейшие заземляющие контуры, регламентированные формуляром РД 34. 21. 122-87, показывают себя дееспособными. К примеру, указанная Инструкция рекомендует использование горизонтально расположенной шины протяжённостью 12 метров и трёх вертикальных стержней-заземлителей длиной пять метров. Сопротивление заземляющего контура в грунтовом массиве с удельным сопротивлением ρ вычисляется по формуле:

При удельном сопротивлении почвы не более 300 Ом*м сопротивление заземляющего контура не превысит R_gr = 0,0625 * 300 = 18,75 Ом*м. В почвах с увеличенным сопротивлением применяются четыре шины протяжённостью по 20 метров, которые располагаются по отношению друг к другу под углом 90°. В этом случае сопротивление заземляющего контура равно:

а монтаж на концах каждой из шин пятиметровых вертикальных заземляющих стержней снижает сопротивление заземления до уровня:

Проблемы возникают в тех случаях, когда заземляющий контур монтируется в почвах с удельным сопротивлением 1 000 Ом*м и более. В этом случае заслуживает внимания идея сборки единой заземляющей конструкции, к которой подключаются обособленные громоотводы. Давайте рассмотрим рисунок 9, на которой представлена молниевая защита парка резервуаров тремя стометровыми грозотросами, с промежуточным интервалом между линиями 50 метров.

Рисунок 9. Защита тросами группы резервуаров^*

Объединение опор грозотросов горизонтально расположенными шинами образует заземляющий контур из двух ячеек. Размер каждой из ячеек – 50 х 100 метров. Сопротивление заземляющей конструкции при горизонтальной укладке лучей на глубину 0,7 метра составляет:

Таким образом, объединённый заземляющий контур способен решать поставленные задачи в почвах с сопротивлением 1 000–3 000 Ом*м, соблюдая нормативные предписания ОАО «Газпром».

Важно подчеркнуть, что оснащение каждого из обособленных молниеотводов локальными заземлителями практические не влияет на уровень сопротивления объединённого заземляющего контура. К примеру, если использовать фундаментную стойку молниеотвода в качестве локального заземлителя (длина арматуры стойки – пять метров, радиус – 0.2 метра, R_gr = 0,1 ρ), то общее сопротивление объединённого заземляющего контура шести молниеотводов, включающего шесть таких стоек, снижается не более чем на 6%. Объяснение этому весьма простое – эффективное экранирование стержней горизонтально расположенными шинами. Повышая длину шин и связывая ими молниеотводные опоры, вполне возможно снизить сопротивление заземляющего контура до 20 Ом в высокоомных грунтовых массивах с сопротивлением до 5 000 Ом*м.

Специалисты могут опровергнуть эту идею замечанием об индуктивности шины. Чем длиннее шина, тем она индуктивнее, и тем инертнее участвует в растекании импульсного тока. Такое замечание вполне компетентно. Тем не менее, в пользу предложенной выше идеи говорят два факта. Во-первых, ни один из упомянутых формуляров не устанавливает каких-либо нормативных ограничений по импульсному сопротивлению заземления. Во-вторых, в почвах с увеличенным удельным сопротивлением импульсный ток поступает в заземляющую шину с высокой скоростью. Поэтому сопротивление заземления R_gr(t) = U_gr(t)/i_M(t) показывает значения, соответствующие требованиям нормативов. На рисунке 10 показано динамическое изменение значений сопротивления заземления для горизонтальной шины, расположенной между молниеотводными опорами. Длина шины – 200 метров, удельное сопротивление грунтового массива – 5 000 Ом*м, относительная диэлектрическая проницаемость почвы – 5. Учёт диэлектрической проницаемости важен в случае, если ёмкостная утечка в почву приравнивается к кондуктивной.

Рисунок 10. Снижение сопротивления заземления горизонтальной шины длиной 200 м^*

На графике несложно проследить, что уже через 5–6 мкс сопротивление заземления снижается практически до стационарных значений. Таким образом, приходим к очередному выводу: по сравнению с частичной заменой объёма грунтового массива длиной 800–1 000 м прокладка горизонтальных шин длиной 800–1 000 метров более целесообразна и выгодна. Приведёт ли реализация вышеприведенных мероприятий к повышению эффективности молниеотводных конструкций и безопасности сотрудников в зоне защиты – вопрос остаётся открытым.

* – иллюстрации взяты из статьи проф. Э. М. Базеляна «Молниезащита нефтегазовых объектов»

УЗИП и его плавкая вставка Молниезащита объектов в районах вечной мерзлоты Молниезащита и заземление для базовых станций стандарта 5G Катушки заземления: искра не проскочит Защита хранилищ ГСМ с плавающей крышей от статического электричества Пять самых опасных воздействий молнии Анализ нормативного документа ФЕДЕРАЛЬНЫЕ НОРМЫ И ПРАВИЛА В ОБЛАСТИ ПРОМЫШЛЕННОЙ БЕЗОПАСНОСТИ "ПРАВИЛА БЕЗОПАСНОСТИ ПРИ ВЗРЫВНЫХ РАБОТАХ"