1. Устройство молниеотводов

Из цикла статей "Молниезащита нефтегазовых объектов".

1.1. Требования национальных нормативных документов

Национальный норматив «Инструкция по устройству молниезащиты зданий, сооружений и промышленных коммуникаций», известный как документ СО-153-34.21.122-2003, никаких специальных требований не содержит, в связи с чем специалисты вынуждены обращаться к «Инструкции по устройству молниезащиты зданий и сооружений РД 34.21.122-87», которая была разработана в интересах Госстоя СССР применительно к совершенно иной экономической политике и, главное, - иной элементной базе цепей управления, автоматики и передачи оперативной информации.

По данным Инструкции РД 34.21.122-87 объекты с взрывоопасными помещениями классов В-I относятся к I категории молниезащиты, которая в обязательном порядке должна осуществляться отдельно стоящими молниеотводами. Последние должны монтироваться на определенных расстояниях до защищаемого объекта по воздуху (S_В) и в земле (S_З), которые регламентировались в зависимости от высоты объекта и удельного сопротивления грунта в месте их установки. Характерно, что предписания норматива ограничивались удельным сопротивлением не более 1000 Ом*м (S_В = 12 м для объектов высотой до 30 м). Для грунтов более низкой проводимости вопрос оставлен открытым. В том же диапазоне удельных сопротивлений нормируется и изоляционное расстояние в грунте, где оно должно выбираться как S_З = S_В + 2 м.

Молниеотводы объектов I категории молниезащиты должны обеспечивать зоны защиты типа А.

Все наружные установки, создающие опасные зоны класса В-Iг, по Инструкции РД 34.21.122-87 должны оснащаться средствами молниезащиты II категории. Молниеприемники, естественные или специально разработанные, могут устанавливаться как непосредственно на объекте, так и в его окрестности. Допускается применение молниезащитных сеток. Дальше в Инструкции начинается дифференциация требований к молниеотводам в зависимости от объема хранимого углеводородного топлива. Например, резервуарные парки общим объемом горючих газов и легковоспламеняющихся жидкостей более 100 000 м³, как правило, требуется защищать отдельно стоящими молниеотводами. Для сжиженных газов в этом отношении предельная цифра снижена до 8000 м³. Что же касается толщины металлической стенки таких крупногабаритных резервуаров, то в рассматриваемой ситуации она значения не имеет. Напротив, для отдельных резервуаров (теперь уже независимо от объёма!) защита молниеотводами обязательна при толщине металлической крыши меньше 4 мм, а при большей толщине молниеотводы можно вообще не устанавливать. Наконец, при объеме металлических резервуаров до 200 м³ молниеотводы не требуются независимо от толщины оболочки.

Признаюсь, я не сумел найти логику в этой чрезполосице. Меня сильно смущало пренебрежение пожаром после проплавления каналом молнии тонкой металлической крыши, когда пламя обязательно охватит объем бензина в 3 - 4 железнодорожные цистерны. Примерно в той же степени приходилось недоумевать по поводу обязательной защиты от контакта с молнией крупных толстостенных стальных резервуаров, никак не пробиваемых молнией, причём, здесь предписывались только отдельно стоящие молниеотводы. Надо сразу оговориться, что ссылка на опасность возгорания горючих газовых смесей над дыхательными клапанами резервуаров не вносит ясности в проблему. Ниже будет показано, что для поджига такой смеси грозовым электричеством контакт с каналом молнии совершенно не обязателен.

Теперь о требуемой надёжности защиты молниеотводами. В Инструкции РД 34.21.122-87 она не указана. Информацию можно найти только в Пособии к ней. В разделе 7 этого документа утверждается, что зоне защиты А может быть приписана надежность 0,995, а зоне Б – 0,95. Оба значения остаются на совести авторов. Специальная проверка при помощи программы, подготовленной на основе статистической методики, показала, что истинная надежность зоны А не превышает 0,96, а зоны Б – 0,84. Это существенно меньше, чем требуется сегодня для I и II уровней молниезащиты (0,98 и 0,95 соответственно).

1.2. Требования стандартов предприятий

Нет возможности рассмотреть требования всех без исключения стандартов. Поэтому для анализа выбраны только два, сильно различающиеся по подходу к проблеме. Стандарт ОАО "Транснефть" предписывает обеспечивать I уровень молниезащиты для всех резервуаров с жидким топливом, независимо от их объема. Для остальных наружных установок с жидким топливом считается достаточной молниезащита II уровня. Надежность защиты I уровня принимается в Стандарте равной 0,99; для II уровня она снижается до 0,95. Принципиально важно, что Стандарт допускает использование молниезащитных сеток, правда лишь европейских размеров, - 5х5 м для I уровня молниезащиты и 10х10 м для II уровня. Жаль, что составители не поясняют, в чем принципиальное отличие сеток избранных размеров от отечественных сеток 6х6 м и 12х12 м. Трудно себе представить, чтобы сокращение размеров ячейки сетки на 1 м настолько принципиально, что она становится пригодной для обеспечения даже I уровня защиты от прямых ударов молнии. Составители Стандарта, похоже, в этом не сомневаются. Во всяким случае, они обязывают располагать сетку на 10 см выше горючего покрытия кровли, уверяя, что при таком превышении сетка перехватит практически все разряды молнии, не допуская их контакта с горючими материалами. Последнее может быть проверено при помощи уже упоминавшейся компьютерной программы, которая использовалась для расчета зон защиты молниеотводов в Инструкции СО-153-34.21.122-2003. Расчет выполнен для сетки с ячейками 5х5 м, которая должна была бы обеспечить объекту с габаритными размерами в плане 20х20 м надежность защиты не менее 0,99 в случае ее превышения над кровлей на 0,1 м. Реально полученные значения вероятности прорыва молнии мимо сетки представлены на рис. 1 в зависимости от высоты объекта. Легко убедиться, что они лежат в пределах 0,37 – 0,48 и, следовательно, надежность защиты едва превышает 0,5, но никак не 0,99, как это полагают составители стандарта.

Рисунок 1. Расчетные значения вероятности прорыва молнии мимо молниезащитной сетки, поднятой над кровлей на 0,1 м (предполагается наличие заземленных металлических конструкций под кровлей)

В случае, когда молниеотвод имеет общий заземлитель с защищаемым объектом, расстояние между ними по воздуху должно быть не меньше 3 м при удельном сопротивлении грунта ρ ≤ 100 Ом м, а при ρ > 100 Ом м его следует увеличить до 4 Ом*м. В чем магическая сила числа 100 авторы Стандарта не поясняют, но хотелось бы, тем более, что ЭДС магнитной индукции, действующая в рассматриваемом воздушном промежутке, от удельного сопротивления грунта не зависит, но заметно реагирует на высоту объекта (о ней ни слова). Не поясняется и требование изоляционного расстояния в 5 м при любых грунтах, когда молниеотвод имеет собственное заземляющее устройство. Здесь возникает сразу два вопроса. Во-первых, подобное расстояние может быть легко перекрыто искровым каналом, скользящим вдоль поверхности грунта (см. подробнее раздел 3). Его формирование тем вероятнее, чем выше удельное сопротивление грунта. Во-вторых, при расстоянии около 5 м даже в отсутствие искровых каналов почти 50% тока молнии может попасть в заземлитель объекта за счёт естественной проводимости грунта. Как видите, вопросы достаточно принципиальные.

Что же касается нормативных требований Стандарта ОАО "Газпром", то в нем почти нет формальных логических противоречий. Для наружных установок требуется молниезащита II уровня, причем, молниеотводы и отдельно стоящие, и смонтированные на крыше защищаемых объектов, должны обеспечивать надежность не ниже 0,99. Молниезащитная сетка в качестве основного средства защиты от прямых ударов молнии не рассматривается. Выбор простейших молниеотводов допускается производить по их зонам защиты, аналогичным введенным в Инструкцию СО-153-34.21.122-2003, Системы из нескольких молниеотводов любого исполнения предписывается проектировать при помощи типовой компьютерной программы (разработка ОАО "ЭНИН"). Расстояние между отдельно стоящим молниеотводом и объектом выбирается не менее 7 м (ρ ≤ 500 Ом м) и увеличивается по мере роста ρ вплоть до 15 м согласно эмпирической формуле

1.3. Проектируем в согласии с нормативами

После произведенного анализа трудно отделаться от мысли о полном отказе от молниеотводов. Действительно, при толщине стальной стенки более 4 мм прямой удар молнии не может ее проплавить или перегреть. Это утверждение принято всеми специалистами во всех технически развитых странах. Сам по себе прямой удар молнии в резервуар с углеводородным топливом к пожару не приведет. Не опасен ток молнии и для фундамента резервуара. В железобетонном исполнении такой фундамент можно использовать для отвода тока молнии в землю, подобно тому как это делается для других промышленных сооружений. Остается лишь зона выброса горючих газов из дыхательных клапанов в нормальном технологическом режиме. При контакте газовой смеси с каналом молнии ее вспышка весьма и весьма вероятна. Именно по этой причине Инструкция РД 34.21.122-87 требует обязательного включения всего взрывоопасного объема над дыхательным клапаном в зону защиты молниеотвода. Мера как будто бы разумная, но на деле мало эффективная по ряду соображений.

Канал молнии редко бывает единственным. По обобщенным представлениям СИГРЭ (2013 г). До 50% молний контактируют с землей и объектами на ней сразу несколькими каналами. Число незавершенных ветвей еще больше (рис. 2). Ток в них незначителен, но температура безусловно превышает 5000 К. Молниеотвод перехватит только одну, главную, ветвь. Остальные могут свободно добраться до взрывоопасной зоны и поджечь её. Впрочем, и это не единственная причина ослабления эффективности молниеотвода. В разделе 4 будет показано, что поджиг может осуществить не только разряд молнии, но и другие слаботочные газоразрядные элементы, инициированные в грозовой обстановке. Молниеотводы вообще не предназначены для борьбы с ними.

Рисунок 2. Пример молнии с несколькими ветвлениями

Заявление о безвредности молниеотвода успокоить не может. На деле он может стать причиной дополнительных опасных воздействий на современную электронику объекта, ибо монтаж молниеотвода увеличивает высоту сооружения. Особо заметно это делают отдельно стоящие молниеотводы. Вместе с высотой возрастает число близких ударов молнии. Например, для стержневого молниеотвода оно пропорционально квадрату высоты. Каждый удар сопровождается воздействием на объект электромагнитного поля молнии. Его последствия могут быть достаточно тяжелыми. Повреждение датчиков системы автоматического пожаротушения – одно из них. Ясно, что на подобное вряд ли стоит идти без особой необходимости.

Аргумент против единственный, но исключительно весомый, - органы государственного технического контроля обязательно потребуют установки молниеотводов, раз они предусмотрены в нормативных документах. У проектировщиков нет против этого никакого оружия. Остается выполнить предписанные нормативные требования, но по возможности обойтись малой кровью. Молниеотводы должны быть минимально высокими и возможно более дешевыми. Если их удастся удалить от резервуаров с топливом, такое будет приветствоваться особо. Наверное у любого опытного специалиста найдутся подходящие решения. Лично мне особенно по душе тросовые молниеотводы.

Тросовая молниезащита не слишком популярна у проектировщиков промышленных зданий, хотя электроэнергетики используют ее очень широко для защиты воздушных линий электропередач напряжением 110 кВ и выше. Над фазными проводами таких линий подвешивается один или два заземленных троса (иногда они изолированы от опор на небольшое напряжении и используются как каналы связи). Тросы выполняют роль молниеотводов по всей длине линии. Особо высокой надежностью характеризуются тросы с отрицательными углами защиты, когда они располагаются со сдвигом во внешнюю сторону по отношению к фазным проводам и потому первыми встречаются на пути молнии (рис. 3).

Рисунок 3. Пример исполнения молниезащиты тросами с отрицательными углами

Крепление грозотросов с отрицательными углами защиты не слишком популярно для линий электропередачи длиной в сотни километров из-за заметного удорожания опор с выносными тросостойками. К тому же до сих пор не прекращаются дискуссии в отношении надежности защиты центрального фазного провода линии, который некоторым специалистам представляется излишне открытым. В отношении резервуарных парков проблемы не возникает, во-первых потому, что их протяженность не превышает несколько сотен метров и потому дополнительные затраты на опоры здесь ничтожны, а во-вторых, защиты центральной части территории парка легко усилить размещением еще одного троса (рис. 4).

Рисунок 4. Тросовая защита резервуарного парка

Результаты компьютерного расчёта на рис. 5 показывают, как зависит вероятность прорыва молнии на территорию резервуарного парка длиной 100 м от расстояния между грозотросами высотой 25 м, защищающими объекты высотой 20 м. Принято, что вынос тросов во внешнюю область по отношению к объекту защиты равен всего 5 м.т

Рисунок 5. К оценке надежности защиты резервуарного парка мультитросовой системой

Особое внимание стоит обратить на высокую эффективность мультитросовой молниезащиты при исключительно малых превышениях тросов над защищаемыми объектами (рис. 6), вследствие чего их использование практически не увеличивает частоту ударов молнии в систему и потому оставляет почти без изменения число опасных электромагнитных воздействий тока молнии. Длина защищаемой территории, а следовательно, и грозотросов, особого влияния на вероятность прорыва не оказывает.

Э. М. Базелян, д.т.н., профессор
Энергетический институт имени Г.М. Кржижановского, г. Москва

Читайте далее "2. Заземление молниеотводов".

Полезные материалы:

Смотрите также: