ИНСТРУКЦИЯ ПО УСТРОЙСТВУ МОЛНИЕЗАЩИТЫ добавила проблем проектировщикам - Прочее - Статьи - Материалы - Блокнот проектировщика (электрика и связь)

В последнее время всё более актуальной становится проблема молниезащиты. Помимо защиты важных объектов от прямого удара молнии (устройства внешней молниезащиты), возросли требования к устройствам внутренней молниезащиты, обеспечивающим защиту от вторичных воздействий молнии.

В 2003 году вступила в действие «Инструкция по молниезащите зданий, сооружений и промышленных коммуникаций» СО 153-34.21.122-2003. Наши московские авторы считают, что новый документ не смог разрешить сложные вопросы, встающие перед проектировщиками.

Михаил Кузнецов, к.ф.-м.н.
Михаил Матвеев, к.ф.-м.н.
Сергей Носков ООО «ЭЗОП», г. Москва

В настоящее время строится и реконструируется большое число объектов с повышенными требованиями к молниезащите: электростанции (ЭС), особенно атомные (АЭС), подстанции (ПС), объекты нефтегазовой отрасли, транспорта, связи и др.

Функционирование многих объектов сегодня обеспечивает микропроцессорная (МП) аппаратура, чувствительная к импульсным электромагнитным помехам (возникающим в том числе при молниевом разряде). МП аппаратура выполняет всё более и более важные функции. Например, она уже устанавливается в качестве основных элементов систем управления и систем безопасности ядерных реакторов. Поэтому понятие «молниезащита» применительно к современному положению расширилось. Молниезащиту можно разделить на две взаимосвязанные составляющие: защита от первичных и вторичных проявлений молнии.

К защите от первичных проявлений относится только внешняя система молниезащиты и заземления, обеспечивающая собственно защиту объекта от прямых разрядов (способных привести к гибели людей, повреждению основного оборудования, пожарам, взрывам, и т.п.) и отвод основной части тока молнии в заземлитель. К защите от вторичных проявлений молнии относятся средства, обеспечивающие защиту чувствительной аппаратуры и ее цепей от импульсных разностей потенциалов между «землями», возникающих при близком молниевом разряде. К защите от вторичных проявлений молнии также относят средства экранирования электромагнитных полей, воздействующих на аппаратуру и ее цепи.

Возросшие требования к организации молниезащиты требуют адекватного отражения на уровне НТД. Традиционно используемые документы по проектированию систем молниезащиты, например, РД 34.21.122-87 «Инструкция по устройству молниезащиты зданий и сооружений» (далее Инструкция 1), позволяли спроектировать систему молниезащиты таким образом, чтобы в достаточной мере защитить объект от первичных проявлений молнии: прямых молниевых ударов, перекрытий, и т.п.

При этом вопросы защиты МП аппаратуры и кабельных линий от вторичных проявлений молниевых ударов рассматривались слабо. Поэтому уже давно назрела необходимость создания документа, регламентирующего вопросы защиты МП аппаратуры и ее цепей от перенапряжений и полей, возникающих при протекании тока молнии по элементам систем молниезащиты и заземляющего устройства. Предполагалось, что новый документ – «Инструкция по молниезащите зданий, сооружений и промышленных коммуникаций» СО 153-34.21.122-2003 (далее – Инструкция 2) разрешит накопившиеся вопросы. Тем более, что к моменту ее выхода уже существовали зарубежные стандарты по молниезащите (МЭК 61312 и МЭК 61024). Отечественный документ в идеале должен был использовать и конкретизировать материалы МЭК, поскольку, во-первых, за рубежом проблемы молниезащиты и ЭМС в целом проработаны более детально, чем в России, и, во-вторых, к моменту выхода Инструкции 2 должен был накопиться достаточный опыт использования этих стандартов МЭК. Однако вряд ли будет преувеличением сказать, что Инструкция 2 не оправдала этих ожиданий.

Уже при беглом просмотре Инструкции 2 бросается в глаза намного меньший объем раздела по защите от вторичных проявлений молнии по сравнению с МЭК. Единственное, что было сделано, – изложены отдельные разделы из МЭК 61312, например, даны основные сведения о зонной концепции защиты, об экранировании и заземлении. Изложение ведется с минимальной детализацией, что затрудняет применение положений Инструкции 2 в практике проектирования. Она не только не довела рекомендации МЭК 61312 до той степени конкретики, которая позволила бы эффективно использовать документ в практике проектирования, но и утратила многие положительные черты Инструкции 1.

Так, например, в Инструкции 2 нет методики определения минимального по условиям отсутствия перекрытия (вторичного молниевого разряда) расстояния от конструкций с молниеприемниками до защищаемых объектов.

В итоге ожидаемый проектировщиками документ, как ни обидно это звучит, сначала вышел на Западе (МЭК-62305 [3]). В этом объемном (5 томов!) стандарте рассмотрены многие аспекты защиты как от первичных, так и от вторичных проявлений молнии и даны подробные рекомендации, которые могут быть использованы без дополнительных исследований. Конечно, и МЭК-62305 не лишен недостатков. Так, в методике оценки среднегодового количества ударов молнии в объект предлагаются эмпирические коэффициенты расположения объектов, использование которых не всегда дает корректные результаты [6]. Но в целом этот документ намного более подробен и логичен, чем Инструкция 2.

Чтобы не быть голословными, в этой статье мы рассмотрим некоторые из проблем, связанных с Инструкцией 2. Собственно, вопросом является уже статус документа. После выхода в 2003 году Инструкции 2 сложилась неоднозначная ситуация. Использовавшаяся до этого Инструкция 1 (и основанные на ней отраслевые документы) не была формально отменена.

Первая же фраза Инструкции 2: «Инструкция распространяется на все виды зданий, сооружений и промышленных коммуникаций независимо от ведомственной принадлежности и формы собственности» оказывается более чем смелым заявлением, если учесть, что документ был утвержден приказом Минэнерго и является именно отраслевым стандартом.

Как показала практика, в других отраслях указанный документ используется слабо. Но даже применение Инструкции 2 в электроэнергетике не всегда возможно.

Рассмотрим пример реконструируемого объекта (ЭС или ПС), на котором достраивается часть ОРУ. Вот цитата: «Инструкция предназначена для использования при разработке проектов, строительстве, эксплуатации, а также при реконструкции зданий, сооружений и промышленных коммуникаций». Тогда формально существующая часть объекта (которая была спроектирована по более ранним документам и может не удовлетворять требованиям Инструкции 2) должна быть реконструирована, что не всегда реально.

Но даже если существующая часть объекта останется без изменений, молниезащита новых ячеек должна быть спроектирована согласно требованиям Инструкции 2. При этом не ясно, каким образом рассчитывать взаимодействие молниеотводов на существующей и новой частях объекта.

Помимо указанной неразберихи, оказалось, что Инструкция 2 не только не удовлетворяет современным требованиям (вопросы защиты от вторичных проявлений молниевых разрядов, специфика молниезащиты взрыво- и пожароопасных объектов почти не рассмотрен), но и имеет неточности, затрудняющие проектирование систем молниезащиты. Поэтому во многих отраслях по-прежнему используется Инструкция 1 (например, для объектов ОАО «Газпром») либо разработаны собственные отраслевые стандарты (например, для объектов ОАО «АК «Транснефть»).

Рассмотрим сначала важнейший вопрос, от которого зависит выбор конкретных технических решений, касающихся молниезащиты того или иного объекта. Речь идет о процедуре оценки рисков и выборе на основе ее результатов уровня защиты и параметров тока молнии, соответствующих специфике объекта.

Действительно, обеспечить 100%-ную молниезащиту наземных объектов в большинстве случаев принципиально невозможно. Однако можно снизить вероятность аварий, повреждений или сбоев в работе объекта в целом и его подсистем до некоторого п риемлемого минимума. При этом, естественно, затраты на обеспечение молниезащиты должны быть увязаны с возможным риском.

Так, нет смысла ставить сравнительно дорогие устройства защиты от импульсных перенапряжений (УЗИП) и обеспечивать специальное экранирование для аппаратуры, стоимость которой низка, а выход из строя не приводит к серьезным последствиям. Намного проще в случае выхода из строя заменять такую аппаратуру, скажем, раз в 40–50 лет. Но если такая аппаратура обеспечивает бесперебойную работу систем безопасности АЭС, то будут оправданы защитные мероприятия, намного более дорогостоящие, чем сама аппаратура.

К факторам, на основе которых определяются требования к надежности защиты и параметры импульсов тока молнии, относятся: важность объекта, экономические и социальные последствия сбоев в его работе, геометрия и срок его службы, грозовая активность в регионе его расположения и т.п. Инструкция 2 дает лишь общее указание на то, что следует осуществлять оценку рисков.

При этом проектировщикам предлагается самостоятельно выбрать уровень защиты. Предлагаемое разделение объектов на типы слишком поверхностно: объекты разделены на обычные и специальные.

Все электростанции отнесены к специальным, тогда как подстанции, видимо, относятся к обычным объектам. Сказать точнее сложно, т.к. приводимая в документе таблица не является исчерпывающей. Рассмотрим пример: небольшая ГЭС или ТЭС, сооруженная на предприятии с целью снижения внешних платежей за электроэнергию, с одной стороны, и ПС «Чагино» 500 кВ в Москве – с другой. Если нарушение в работе такой ГЭС (ТЭС) создаст кратковременные и устранимые неудобства, связанные с переходом на внешнее электроснабжение предприятия, то авария на системной ПС 500 кВ может иметь, как показала практика, намного более серьезные последствия.

Из текста Инструкции 2 к тому же остается неясным, с каким уровнем защиты следует проектировать систему молниезащиты электростанций, дается лишь диапазон 0,9–0,999 для всех специальных объектов. А ведь стоимость системы молниезащиты, спроектированной с уровнем защиты 0,999, может быть на порядок выше стоимости системы молниезащиты, спроектированной с уровнем 0,9.

Для специальных объектов почему-то не даны даже параметры тока молнии в зависимости от уровня надежности. Приведенная для обычных объектов таблица уровней надежности также не отвечает на вопрос, какой именно уровень надежности и какой ток молнии следует использовать в расчетах для конкретного объекта, и в первую очередь для ПС. Чтобы понять важность ответа на этот вопрос, приведем два примера.

Итак, чтобы правильно (с достаточным уровнем надежности, но без «перезакладывания») спроектировать систему молниезащиты, необходимо оценить риски, выбрать уровень молниезащиты и определить амплитуду тока молнии в зависимости от назначения защищаемого объекта, срока действия оборудования на объекте, ожидаемого количества прорывов молний и др. факторов. Однако в Инструкции 2 такая методика полностью отсутствует.

Более того, в данном документе нет и методики определения количества молниевых разрядов в объект в зависимости от его геометрических параметров (ширины, длины, высоты зданий и сооружений) и местоположения. Отсутствует и методика определения принимаемого значения тока молнии. Следует отметить, что в МЭК-62305 по молниезащите указанные вопросы рассмотрены намного более подробно, даже в Инструкции 1 этому вопросу уделено некоторое внимание.

Наиболее критичный недостаток Инструкции 2 – собственно методика расчета типовых зон защиты стержневых и тросовых молниеотводов. Предложенная методика предполагает только наличие молниеотводов одинаковой высоты. Полностью отсутствует методика расчета зон защиты для разновысоких молниеотводов (стержневых, тросовых). Учитывая, что в реальности молниезащита часто организована именно разновысокими молниеотводами (на ПС даже в пределах одного ОРУ могут располагаться разновысокие молниеотводы – на порталах и прожекторных мачтах, например), можно сделать вывод, что Инструкция 2 непригодна для расчета зон молниезащиты многих объектов. Следует заметить, что Инструкция 1 и тем более МЭК-62305 лишены этого недостатка.

Фраза из Инструкции 2: «В случае проектирования молниезащиты для обычного объекта, возможно определение зон защиты по защитному углу или методом катящейся сферы согласно стандарту МЭК (IEC 1024) при условии, что расчетные требования МЭК оказываются более жесткими, чем требования Инструкции» не решает проблемы. Действительно, поскольку требования Инструкции 2 для разновысоких объектов отсутствуют, то воспользоваться стандартом МЭК всё равно не получится.

Даже для молниеотводов равной высоты проектировщику, чтобы оправдать использование МЭК, придется производить расчеты по обеим методикам, чтобы сравнить требования и убедиться, какие более жесткие. Но меньше всего повезло специальным объектам, молниезащиту которых разрешается рассчитывать только по Инструкции 2, – ведь именно на таких объектах молниеотводы, как правило, имеют разную высоту. Например, трубы на зданиях блоков АЭС и молниеотводы на ОРУ АЭС различаются по высоте в несколько раз. Получается, что выполнить корректный расчет молниезащиты для АЭС вообще невозможно!

Еще один существенный недостаток Инструкции 2 – отсутствие методики расчета зоны молниезащиты при наличии более двух молниеотводов. Согласно предложенной методике, может быть определена только зона защиты, образованная парой молниеотводов.

Очевидно, что если построить зоны защиты трех молниеотводов только исходя из перекрытия зон молниезащиты, образованной каждой парой из них, то в большинстве случаев зона, находящаяся в центре треугольника (образованного молниеотводами), будет не перекрыта.

Полное перекрытие указанной зоны будет, только если на высоте защиты все попарно образованные зоны будут пересекаться. Это возможно, например, для случая, когда мачты, образующие правильный треугольник, находятся на расстоянии не более 2r_x (двух радиусов одиночных зон перекрытия на заданной высоте, рис. 1) друг от друга.

Для примера приведем следующий случай: если мачты высотой 30 метров должны перекрыть зону высотой 15 метров, мачты (расположенные, например, в вершинах правильного треугольника) должны находиться на расстоянии не более 18 метров друг от друга при уровне защиты 0,99 и на расстоянии не более 10 метров при уровне защиты 0,999. В этом случае придется буквально утыкать объект мачтами, для того чтобы защитить его согласно приведенной методике. Но тогда молниеотводы неизбежно окажутся в непосредственной близости от вторичных цепей, мест размещения электронной аппаратуры и т.п., что само по себе приводит к серьезным проблемам.

Следует отметить, что в Инструкции 1 вопрос построения зон нескольких молниеотводов (больше двух) был решен. Напомним, что там говорилось следующее: «Основным условием защищенности одного или нескольких объектов высотой h_x с надежностью, соответствующей зонам А и Б, является выполнение неравенства r_cx > 0 для всех попарно взятых молниеотводов». Это означает, что если каждая пара молниеотводов взаимодействует на заданной высоте (т.е. образует общую зону, а не две отдельные зоны защиты), то и зона между попарными зонами будет перекрыта от прямого удара молнии на той же заданной высоте.

Поскольку при анализе Инструкции 2 постоянно приходится ссылаться на МЭК-62305, кажется уместным привести и другие их несоответствия, чтобы при пересмотре Инструкции 2 и создании нового документа по молниезащите избежать подобных ошибок и несоответствий. Это нужно, в частности, для того, чтобы унифицировать методики во избежание недоразумений, способных возникнуть при проектировании и строительстве объектов за рубежом либо применении в России типовых зарубежных наработок.

К таким несоответствиям относится, например, следующее: в таблице № 2.2 (Раздел №2) приведены следующие уровни защиты от прямого удара молнии: I уровень – 0,98; II уровень – 0,95; III уровень – 0,9; IV уровень – 0,8.

В соответствии с МЭК 62305 уровни защиты следующие: I уровень – 0,99; II уровень – 0,97; III уровень – 0,91; IV уровень – 0,84.

Кстати, нетрудно заметить, что уровни защиты согласно МЭК оказываются во всех случаях выше, чем в Инструкции 2.

Обращает на себя внимание и несовпадение значений уровней защиты для обычных (0,98; 0,95; 0,9; 0,8) и специальных объектов (0,9; 0,99 и 0,999). Учитывая, что методика расчета зон молниезащиты дана только для уровней защиты 0,9; 0,99 и 0,999, остается загадкой, как проводить расчет для уровней 0,98; 0,95 и 0,8. Хотя в Инструкции 2 и сказано, что для обычных объектов можно использовать метод расчета, предложенный в IEC 1024, но с условием, «что расчетные требования Международной электротехнической комиссии оказываются более жесткими, чем требования настоящей Инструкции». При этом оказывается невозможным определить, какие же требования являются более жесткими, поскольку требований Инструкции для указанных уровней защиты просто нет!

К несоответствиям с МЭК также относятся и значения некоторых параметров тока молнии, приведенные в таблице 2.3 Инструкции 2. Например, неверно указаны значения средней крутизны первого импульса тока молнии (средняя крутизна di / dt_30/90%, кА/мкс): 200, 150 и 100. Правильные значения в десять раз меньше: 20, 15 и 10 кА/мкс. Указанное противоречие представляет скорее всего просто ошибку.

В целом, рассматриваемый документ изобилует фактическими ошибками, приводящими к невозможности использования даже тех методик расчета, которые в документе представлены. Ниже приведен перечень таких ошибок, не претендующий на полноту:

Возникает вопрос: а почему именно 150 м, и что делать, если нужно защитить более высокий объект? В документе говорится, что для этого нужно использовать специальную методику, но ссылки на нее нет. А между тем объектов с высотой более 150 м становится всё больше (телебашни, небоскребы и др.). И здесь необходимо не только обеспечить защиту уже построенных зданий от молнии, но и предусмотреть мероприятия по молниезащите в процессе самого строительства. К сожалению, этот аспект в Инструкции 2 также не рассмотрен.

Наконец, остановимся подробнее на том, чего, к сожалению, практически нет в Инструкции 2: на вопросах защиты чувствительной аппаратуры и ее цепей от вторичных проявлений молниевых разрядов с той степенью детализации, которая позволила бы неспециалисту в области ЭМС выполнять проекты молниезащиты. Как показала практика, учет требований ЭМС при построении комплексных систем молниезащиты (включающих системы заземления, системы защиты от импульсных перенапряжений и электромагнитных полей) в настоящее время жизненно необходим.

Так, на одном из крупнейших в нашей стране предприятий нефтяной отрасли система защиты от прямого удара молнии была спроектирована правильно (точнее, согласно действующей НТД), однако защита от вторичных проявлений молнии не была выполнена (рис. 2а). Вторичные цепи и места установки МП аппаратуры попадали в зону высокого импульсного потенциала у оснований молниеотводов. Это привело к тому, что в течение одного грозового сезона в результате нескольких молниевых ударов в молниеприемники была выведена из строя значительная часть электронного оборудования объекта. На рис. 2б приведен еще один пример ошибочного выполнения молниезащиты.

Сегодня очевидно, что Инструкция по молниезащите должна содержать не только общие слова (как Инструкция ), но и конкретные рекомендации, технические решения, реализация которых позволит защитить чувствительную микропроцессорную аппаратуру и ее цепи.

Например, Инструкция 2 поверхностно рассматривает проблему защиты аппаратуры от магнитных полей, индуцированных током молнии. Приводится информация о том, что металлоконструкции здания могут использоваться в качестве экранов. Ничего не говорится о том, что делать, если здание кирпичное, или если коэффициента экранирования металлоконструкциями недостаточно для ослабления поля до безопасного для аппаратуры. Нет конкретных рекомендаций по определению коэффициента экранирования.

При этом зачастую при установке новой чувствительной аппаратуры в существующих зданиях использование дополнительного экранирования является единственным доступным способом борьбы с импульсными магнитными полями.

Инструкция по молниезащите должна содержать подробное описание того, как это сделать, чтобы проектировщик в зависимости от ситуации мог выбрать подходящий вариант защиты: достаточно ли металлоконструкций здания или необходимо использование дополнительного экранирования самого здания или помещения; как правильно организовать экранирование помещений; достаточно ли сетчатого экрана или необходимо использовать металлические листы. Если нет возможности экранировать помещение или по экономическим соображениям выгоднее разместить аппаратуру в экранирующих шкафах, как именно выбирать экранирующие шкафы. Вопрос серьезный, ведь многие из выпускаемых в настоящее время металлических шкафов не обладают экранирующими свойствами, поскольку наличие длинных щелей между стенками и каркасом сводит практически к нулю экранирующий эффект. На все эти вопросы должны быть даны четкие ответы в Инструкции по молниезащите. Аналогичная ситуация сложилась и с рекомендациями, касающимися устройства заземления защищаемых объектов, создания системы защиты от импульсных перенапряжений в цепях до 1 кВ. В Инструкции 2 даны лишь общие рекомендации по этим вопросам. Мало внимания уделено способам защиты от импульсных перенапряжений с помощью специальных устройств (УЗИП), гальванических развязок, экранирования цепей чувствительной аппаратуры [2, 5]. А ведь выбор типа УЗИП, например, является очень важным вопросом. Так, в измерительные цепи трансформаторов напряжения на ПС нельзя устанавливать разрядники, поскольку при их срабатывании возможно искажение формы полезного сигнала, а вот установка УЗИП на основе варисторов в такие цепи возможна, что было показано в [5]. Стоит заметить, что для объектов, не имеющих единого заземляющего устройства в виде сетки (например, многие объекты газовой отрасли), использование УЗИП зачастую является одним из немногих эффективных способов борьбы с импульсными перенапряжениями. Например, в МЭК-62305 только вопросам применения УЗИП уделено почти 20 страниц.

То же касается и применения для защиты от импульсных перенапряжений экранированных кабелей с двухсторонним заземлением экранов. В Инструкции 2 это лишь рекомендуется делать, однако никаких количественных характеристик не приводится. Также не сказано, в каких случаях это можно делать, а в каких такая мера может оказаться недостаточной или даже привести к негативным последствиям. Исследования, проведенные ООО «ЭЗОП», показали, что такое мероприятие (при условии правильного выполнения) позволяет добиться снижения перенапряжений, приложенных ко входам МП аппаратуры, в несколько раз (от 4 до 20 раз, см. [5]).

В Инструкции 2 практически не затронуты вопросы увязки системы заземления молниеотводов с заземлением других объектов. Этот вопрос особенно актуален для распределенных объектов большой площади, таких, как, например, электрические подстанции (являющиеся, кстати, самыми многочисленными объектами электроэнергетики, для которой указанный документ и был выпущен). А ведь именно правильный выбор схем заземления элементов молниезащиты зачастую позволяет обойтись без дополнительных дорогостоящих мероприятий по защите от вторичных проявлений молниевых разрядов [2, 4], в том числе без применения УЗИП.

Таким образом, назрела необходимость начать работу по созданию нового документа, регламентирующего проектирование систем молниезащиты с учетом современных требований.

Эта задача выходит далеко за рамки настоящей статьи. Но очевидно, что новый документ должен распространяться на максимально большое число типов объектов и давать максимально четкие решения, а не расплывчатые общие положения. Перечисленные противоречия, неточности и пробелы должны быть устранены.

Документ не должен противоречить МЭК и обязан четко разграничивать случаи, когда следует выполнять новые требования, а когда достаточно выполнения требований ранее выпущенных документов. И, разумеется, необходимо в полном объеме рассмотреть вопросы защиты от вторичных проявлений молниевого разряда.

Возникает, однако, вопрос: можно ли гарантировать, что новый документ будет принципиально лучше предыдущего, или опять повторится ситуация с РД 87-го года и СО 2003-го, вынуждающая проектировщика использовать требования разных документов?

Здесь вряд ли можно дать исчерпывающий ответ. Но хотелось бы напомнить следующее. В 2003 году выход Инструкции 2 оказался неожиданностью для большей части инженерного сообщества.

Публикации и широкого обсуждения проекта документа, насколько известно, не было. Поэтому представляется абсолютно необходимым в случае разработки нового документа опубликовать его проект задолго до принятия с целью всестороннего обсуждения замечаний и предложений. А их наверняка будет немало.

Блокнот проектировщика(электрика и связь)

Статьи (Прочее)

Блокнот проектировщика
(электрика и связь)