Молниезащита уникальных объектов

Иногда проекты систем молниезащиты невозможно реализовать с помощью стандартных решений. В таких случаях применяются уникальные технические разработки, а иногда — выдающийся творческий подход. Рассмотрим примеры, когда молниезащита стала серьёзным вызовом для изобретательности инженеров. Опыт их реализации может пригодиться в разных условиях.

Молниезащита коммуникационной башни

В пригороде города Орландо, штат Флорида, США, расположена коммуникационная башня, которая служит для связи с аварийными бригадами службы спасения 911. В регионе грозы бывают 130 дней в году — это очень много, и сравнимо с высокогорной местностью. В период наибольшей грозовой активности с мая по октябрь молнии ударяют в башню один-два раза в месяц.

10 лет назад при строительстве башни её оснастили молниезащитой, соответствующей всем стандартам того времени. Однако за время эксплуатации удары молний нанесли башне огромный ущерб. Хуже всего, что после очередного удара молнии в башню спасатели часто оставались без важных каналов связи. Это происходило во время разгула стихии, когда служба 911 работает наиболее напряженно, пытаясь справиться с последствиями непогоды в регионе с населением почти 1 млн человек. Строительство всей коммуникационной системы с 11 башнями обошлось штату в $30 млн.

Проблема в том, что башня высокая (85 м) и оснащена большим количеством чувствительного оборудования, включая 28-канальную радиосистему с 11 передатчиками. Молнии постоянно выводят из строя передатчики стоимостью несколько десятков тысяч долларов. Ущерб составлял $100-200 тыс. ежегодно.

За время проектирования и эксплуатации башни сменилось много подрядчиков, но конкретных лиц, ответственных за молниезащиту, не было. После 10 лет убытков на общую сумму около $2 млн было принято решение изучить проблему. В итоге обнаружилось, что молниезащита башни имела множество нюансов, которые не были учтены.

Как оказалось, под башней находится грунт из мелкозернистого кремнезема, который обеспечивал хороший дренаж, но имел очень плохую проводимость. Плохой грунт и отсутствие обслуживания химических заземляющих электродов на протяжении 10 лет привели к тому, что сопротивление грунта площадки под заземлением превышало 1000 Ом. Более того, обнаружилось, что подрядчик просто закопал медные полосы под землю, не подключив их к заземляющему электроду, обеспечивающему защиту башни и помещения с передатчиками. Из-за этого заземление имело сопротивление в 550 Ом — в 22 раза выше допустимой нормы. В итоге скачки напряжения обходили электрод и разрушали оборудование. Коррозия стальных проводников на башне также резко повысила сопротивление и сделала молниезащиту неэффективной.

В аппаратном помещении металлические стеллажи для аппаратуры были подключены к заземлению, но шасси аппаратуры общей стоимостью $2 млн не было заземлено на стойки, то есть было заземлено только через шнуры питания. Все это приводило к тому, что разряды тока от молний проскакивали по влажному бетону, «выжигая» электронику.

Все эти факторы ослабляли молниезащиту и в совокупности приводили к постоянным отключениям и дорогостоящим ремонтам.

Новая молниезащита для башни была разработана более тщательно, причём из расчёта «от оборудования», то есть с упором на сохранение работоспособности передатчиков при любом количестве ударов молнии. Исправить проблему нужно было при минимуме работы по перестройке башни, и в итоге удалось уложиться в сумму $150 тыс., что на первый взгляд дорого, но полностью окупилось всего за два года.

Инженеры решили дополнить существующую молниезащиту. Прежде всего в земле был установлен новый 18-метровый заземляющий электрод с сопротивлением 4,3 Ом. С ним с помощью медных проводов диаметром 14 мм соединили новые медные шины, расположенные на башне. К старым шинам добавили новые, а по тросам, поддерживающим башню, были протянуты дополнительные медные провода, связанные с новыми электродами с сопротивлением от 5,3 до 6,7 Ом. Шасси аппаратуры соединили со стойками медным проводом диаметром 7,6 мм, а сами стойки разместили на резиновых ковриках. Проржавевшие проводники между башней и зданием заменили медными пластинами толщиной 6,3 мм со сварным соединением проводов.

Всего в землю были заглублены на 37 м пять электродов, соединенных заземляющим медным кольцом из провода диаметром 1,4 см. В результате аппаратное помещение и башня были заключены в «клетку» молниезащиты с заземляющими проводниками по периметру здания.

Модернизация была проведена в 2002 г., и с тех пор «магическое кольцо» новой молниезащиты надежно защищает оборудование от гроз, интенсивность которых растет с каждым годом.

Молниезащита поля для гольфа

Поле для гольфа на первый взгляд не является объектом, для которого молнии представляют серьёзную опасность, ведь в грозу игроки уходят с поля. Однако молнии — одна из главных угроз для инфраструктуры поля, и молниезащита данных объектов всегда уникальна.

Дело в том, что поля для гольфа оснащены ирригационными системами, которые обеспечивают высокое качество дерна. Самые качественные поля для гольфа имеют очень сложные «умные» системы с автоматическим поливом, электронными датчиками влажности грунта, контроля качества торфа и т. д. Подобнее системы могут быть беспроводными с поддержкой до 500 датчиков и удаленным управлением через облачные системы и связь 3G/4G. Без подобных систем обеспечить комфортную игру невозможно, но при этом насыщенность электроникой повышает уязвимость к ударам молний. Простых решений этой проблемы нет: «частокол» молниеотводов будет мешать игре и нарушит эстетику поля, к тому же заземление может повредить заглублённые в землю датчики. Также каждое поле имеет оригинальный дизайн, и создать стандартизированное решение для молниезащиты невозможно.

Ирригационные системы с сетью трубопроводов, спринклеров и мощными дорогостоящими насосами — самая уязвимая для молний инфраструктура полей для гольфа. Ирригационная сеть действует как большая антенна и очень чувствительна к резким скачкам напряжения от удара молнии. Из строя выходят датчики, контроллеры, насосные станции. Кроме того, скачки напряжения могут повреждать систему управления и спутниковую связь, что нарушает процесс полива и требует трудоемких ремонтных работ. В конечном счёте поле теряет деньги, так как играть в период ремонта невозможно.

Для защиты ирригационных систем гольф-полей используется несколько «линий обороны». Прежде всего широко применяются ограничители перенапряжения, так называемая грозозащита, которая перенаправляет избыточный заряд на внешнее заземление в случае, когда напряжение выше нормы.

Однако исследования показали, что молнии достигают пикового тока в течение первых микросекунд удара. В поле обычные ограничители перенапряжения не успевают реагировать на такие мгновенные события. В связи с этим на полях для гольфа используются металлооксидные варисторы (MOV) и разрядники с искровым промежутком.

Когда ударяет особенно интенсивная молния с напряжением 30 млн вольт, с которой MOV не может справиться, в дело вступают разрядники, направляющие избыточный ток в землю, а не в электронные компоненты. Таким образом, быстрые MOV реагируют на резкий скачок напряжения, а разрядники рассеивают ток.

К сожалению, этого недостаточно, поскольку такая защита не срабатывает, пока скачок напряжения не будет в проводке, подключенной к оборудованию. Кроме того, она имеет ограниченный срок службы и может выдержать только определенное количество ударов. Также есть вероятность, что защитные устройства могут передать опасный скачок напряжения от заземляющего провода.

Поэтому используется следующая линия защиты: отключение оборудования как наиболее надежный способ избежать повреждений от удара молнии. На поле для гольфа быстрое безопасное ручное отсоединение в условиях грозы невозможно. К тому же ирригационные системы слишком сложны для такой процедуры. Поэтому используется активная система автоматического отключения, связанная с датчиками, обнаруживающими грозу по радиовсплеску. Обычно детекторы молний относят от поля на 2-3 км в место с минимумом радиопомех.

В большинстве случаев приходится использовать несколько автономных блоков автоматической защиты, которые защищают ключевые элементы «умной» инфраструктуры: систему управления, спутниковые контроллеры, оборудование насосной станции. В каждом блоке свой автоматический размыкатель питания, который разъединяет источники переменного тока, метеостанцию, коммуникационные линии и другое оборудование. Чтобы исключить пробой или искровой разряд, размыкатели шунтируют и заземляют.

Как только гроза проходит, система ждет минимум 6 минут, и если молний нет, вновь включает все оборудование, и поле для гольфа начинает функционировать в обычном режиме.

Особой проблемой является насосное оборудование, так как контроллер должен работать минимум 30 секунд для сброса давления в системе перед ее отключением. Все это время система крайне уязвима для молний. Полностью устранить риск невозможно, единственное, что можно сделать, — попытаться обнаружить молнии заранее и рассчитать оптимальное время отключения.

Таким образом, надежная молниезащита поля для гольфа — очень сложная инженерная задача. В каждом отдельном случае создается уникальная конфигурация с расположением датчиков и заземления. При этом особенностью является необходимость постоянного контроля эффективности заземления. На полях для гольфа есть участки с торфом, песком, водоемы, холмы и низины, поэтому нужно учитывать разную проводимость грунта при установке заземления.

Описанные выше нюансы относятся ко всем современным ирригационным системам, установленным в открытом грунте. В сельском хозяйстве все большее распространение получают «умные» системы мониторинга состояния грунта и вегетации, сопряженные с автоматикой для полива, удобрения и системами спутниковой связи. Соответственно, опыт молниезащиты полей для гольфа находит широкое применение.

Молниезащита ЛЭП в лесной местности

Линии электропередач (ЛЭП), окруженные густой растительностью, — сложный для эксплуатации объект. Ветви деревьев приводят к коротким замыканиям и обрыву проводов, особенно во время сильного ветра. Проблема актуальная для всех регионов планеты, покрытых лесами, но в отдельных случаях молниезащита играет ключевую роль при выборе способа организации ЛЭП.

В 2011 г. в городе Восточный Лонгмедоу, Массачусетс, США, прошла серия штормов, которая привела к длительным отключениям на линии электропередач с напряжением 69 кВ. Ветер путешествовал вдоль полосы вырубки и опор ЛЭП, бросая на провода сломанные ветки и деревья. После этих событий было принято решение модернизировать линию протяженностью 19,3 км.

ЛЭП была старая с высокими деревянными опорами (до 16,7 м) и находилась в узкой полосе вырубки 18,3 м. При этом линия окружена соснами высотой более 30 м, то есть защитная полоса слишком узкая, чтобы обезопасить провода. В итоге отключение подстанции во время сильного ветра стало обычным делом.

Самым простым решением было бы расширение просеки, но лес вокруг ЛЭП принадлежит многим собственникам. Следующим вариантом было увеличение высоты опор ЛЭП и поднятие проводов над деревьями. Однако при расчетах выяснилось, что требования к молниезащите в данном случае резко вырастут. Обычно деревянные опоры ЛЭП с напряжением до 35 кВ не требуют тросовой молниезащиты по всей длине. Более того, по результатам многих исследований известно, что количество отключений ЛЭП, проходящих через леса, меньше прогнозных значений. Это связано с тем, что лес защищает ЛЭП от ударов молний, и до 90% повреждений воздушных линий электропередач связаны с сильным ветром и обледенением, тогда как на открытой местности до 80% отключений приходится на грозы.

На ЛЭП в Восточном Лонгмедоу была лишь защита опор от прямых попаданий молний. Подъем опор ЛЭП выше кроны деревьев лишит опоры естественной молниезащиты лесным массивом и потребует использования тросовой защиты, для которой, в свою очередь, нужны еще более высокие опоры и еще большее горизонтальное междуфазное расстояние. В итоге проект превращался в масштабное дорогостоящее строительство и не укладывался в полосу земли, отведенную под ЛЭП.

Найти приемлемый способ молниезащиты не удавалось. Проектировщики исследовали многочисленные решения и пришли к выводу, что линию в лесу необходимо оставить ниже деревьев. В итоге для защиты от обрывов и обледенения выбрали схему спейсер-кабеля, разработанного компанией Hendrix. Она состоит из трех изолированных кабелей и верхнего провода («мессенджера»), который обеспечивает механическую поддержку фазовым кабелям, защищает от падающих веток и деревьев, а также действует как молниезащита. Кабели крепятся на полимерных распорках с нейлоновыми болтами и защищены несколькими слоями изоляции. На всех опорах, где оголенные провода соединялись с изолированными, установили разрядники для защиты от молний.

Конструкция спейсер-кабеля очень компактна по сравнению с обычными неизолированными проводами на металлических опорах с широкими траверсами. ЛЭП от Hendrix эффективно гасит колебания проводов, выдерживает многократные касания веток и даже падение небольших деревьев. Благодаря этому эксплуатация подобных ЛЭП дешевле, включая сокращение затрат на обрезку деревьев на 30-80%. Также, в отличие от конструкции с самонесущим фазовым кабелем, для поддержки спайсера используется трос «мессенджера», что снижает ветровую нагрузку и массу ЛЭП.

У спейсер-кабеля есть недостатки: сложность монтажа жестких кабелей, высокие требования к качеству проектирования, материалам и монтажу, а также молниезащите.

Модернизация линии была завершена в декабре 2015 г., и с тех пор с ней нет проблем. Подобные трехфазные ЛЭП 69 кВ со спейсер-кабелем являются относительно новой технологией для США и используется только в нескольких местах. ЛЭП в Восточном Лонгмедоу была первой на Северо-востоке США. Правительственные эксперты следят за линией, и если её эксплуатация будет успешной, опыт используют на других ЛЭП, которые постоянно сталкиваются с проблемой отключений из-за падения веток и деревьев на провода.

Вам требуется помощь в проектировании или выборе оборудования для заземления и молниезащиты? Обратитесь в Технический центр ZANDZ.com!

Смотрите также:

• Примеры решений по заземлению для особо важных объектов
• Таблица удельного сопротивления грунта
• Проекты по заземлению и молниезащите

Примеры решений по заземлению Удельное сопротивление грунта Проектирование заземления и молниезащиты 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"