|ГЛАВНАЯ|   |О ЖУРНАЛЕ|    |ПОДПИСКА|   |ФОРМЫ СОТРУДНИЧЕСТВА|  |КОНТАКТЫ|   |СОДЕРЖАНИЕ НОМЕРА|  |НОВОСТИ|    |ВАКАНСИИ|     |АРХИВ|  |IT-СТРАНСТВИЯ|

№ 3&4 (4-5) 2002

 

 

 
 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Определение

 

Молниезащита представляет собой комплекс мероприятий, направленных на предотвращение прямого удара молнии в объект или на устранение опасных последствий, связанных с прямым ударом.

 

 

 

 

 

 

 

 


 

Александр САВЧУК

 

 

 

О нисходящих молниях

Рассмотрим процесс развития нисходящей молнии и ее параметры. После установления сквозного лидерного канала следует главная стадия разряда – быстрая нейтрализация зарядов лидера, сопровождающаяся ярким свечением и нарастанием тока от единиц до сотен килоампер. При этом происходит интенсивный разогрев канала (до десятков тысяч градусов) и его ударное расширение, воспринимаемое на слух как раскат грома.

Ток главной стадии состоит из одного или нескольких последовательных импульсов, наложенных на непрерывную составляющую. Большинство импульсов тока имеет отрицательную полярность. Первый импульс при общей длительности в несколько сотен микросекунд (рис. 1) имеет длину фронта от 3 до 20 мкс; пиковое значение тока (амплитуда) варьируется в широких пределах: в 50% случаев (средний ток) превышает 30 кА, а в 1-2% случаев – 100 кА. Примерно в 70% случаев нисходящих «отрицательных» молний за первым импульсом наблюдаются последующие с меньшими амплитудами и длиной фронта: средние значения, соответственно, 12 кА и 0,6 мкс. При этом крутизна (скорость нарастания) тока на фронте последующих импульсов выше, чем для первого импульса.

 

 

Рис. 1. Характер тока в молнии

 

Ток непрерывной составляющей нисходящей молнии варьируется от единиц до сотен ампер и существует на протяжении всей вспышки, продолжающейся в среднем 0,2 с, а в редких случаях 1-1,5 с.

Заряд, переносимый в течение всей вспышки молнии, колеблется от единиц до сотен кулон, из которых на долю отдельных импульсов приходится 5-15 Кл, а на непрерывную составляющую – 10-20 Кл.

Нисходящие молнии с положительными импульсами тока наблюдаются примерно в 10% случаев. Часть из них имеет форму, аналогичную форме отрицательных импульсов. Кроме того, зарегистрированы положительные импульсы с существенно большими параметрами: длительностью около 1000 мкс, длиной фронта около 100 мкс и переносимым зарядом в среднем 35 Кл. Для них характерны вариации амплитуды импульса тока в очень широких пределах: при среднем токе 3 5 кА в 1-2% случаев возможно появление амплитуд свыше 500 кА.

Накопленные фактические данные о параметрах нисходящих молний не позволяют судить об их различиях в разных географических регионах. Поэтому для всей территории бывшего СССР их вероятностные характеристики приняты одинаковыми (99% нисходящих молний имеют амплитуду и крутизну фронта тока в пределах, соответственно, 100 кА и 50 кА/мкс).

Описание восходящих молний ввиду их редкости мы не приводим.

 

Статистика

В нормативных документах данные о параметрах токов молнии учте­ны в требованиях к конструкциям и размерам средств молниезащиты.

Наиболее важная и информативная характеристика для оценки возможности поражений объектов молнией – плотность ударов нисходящих молний на единицу земной поверхности.

В целом по территории земного шара плотность ударов молнии варьируется практически от нуля в приполярных областях до 20-30 разрядов на 1 кв. км земли за год во влажных тропических зонах. Для одного и того же региона возможны вариации от года к году, поэтому для достоверной оценки плотности разрядов в землю неободимо многолетнее усреднение.

Для Украины на основе усреднения данных метеорологических станций за период с 1936 по 1978 гг. получена средняя продолжительность гроз 50-100 часов в год (4-8 ударов на кв. км в год).

          ____________________________________________________

             В Украине на каждый квадратный километр территории

             приходится 4–8  ударов молнии в год.

          ____________________________________________________

 

Ожидаемое количество поражений молнией является показателем, определяющим необходимость выполнения молниезащиты и ее надежность. Поэтому необходимо располагать способом оценки этого значения еще на стадии проектирования объекта. Желательно, чтобы этот способ учитывал известные характеристики грозовой деятельности и другие сведения о молнии.

Подсчет ожидаемого количества N поражений молнией в год может производиться по формулам:

• для сосредоточенных зданий и сооружений (дымовые трубы, вытки, башни)

N = 9πh2n•10-6 ;          (1)

• для зданий и сооружений прямо­ угольной формы

N= [(S+6h)(L+6h)-7,7h2]n • 106,         (2)

где h – наибольшая высота здания или сооружения (м);

S, L соответственно, ширина и длина здания или сооружения (м);

п – среднегодовое число ударов молнии в 1 кв. км земной поверхности (удельная плотность ударов молнии в землю) в месте нахождения здания или сооружения.

Для зданий и сооружений сложной конфигурации в качестве S и L рассматриваются ширина и длина наименьшего прямоугольника, в который может быть вписано здание или сооружение в плане.

Конечно, можно предположить, что вероятность и тяжесть поражения объекта растет, например, с ростом амплитуды тока молнии, и зависит от других параметров разряда. Однако имеющаяся статистика поражений получена способами (фотографированием ударов молнии, регистрацией специальными счетчиками), не позволяющими выделить влияние других факторов, кроме интенсивности грозовой деятельности.

Оценим теперь по формулам (1) и (2), как часто возможны прямые поражения молнией объектов разных размеров и формы. Например, при средней продолжительности гроз 50 ч в год в сосредоточенный объект высотой 50 м можно ожидать не более одного поражения за 3-4 года, а в здание высотой 20 м и размерами в плане 100х100 м – не  более одного поражения за 5 лет.

Таким образом, при умеренных размерах зданий и сооружений (высоте в пределах 20-50 м, длине и ширине примерно 100 м) поражение молнией является «относительно редким» событием.

Но не стоит расслабляться, так как в таком здании, не имеющем защиты от прямого попадания молнии, вам придется менять раз в 5 лет все активное оборудование, сетевые карты и платы телефонных станций, установленных в здании (причина – выход из строя или пожар). Причем, возможно, это придется сделать на следующий день после того, как вы установили новое оборудование. Над этим стоит задуматься.

Для небольших строений (с габаритами примерно 10 м) ожидаемое количество поражений молнией редко превышает 0,02 за год, а это значит, что за весь срок их службы может произойти не более одного удара молнии. По этой причине для некоторых небольших строений (даже при низкой огнестойкости) выполнение молниезащиты вообще не предусматривается или существенно упрощается.

Дополнительную информацию по расчету вероятности поражения молнией можно найти в международном стандарте IEC1662 (04-1995) Assessment of the risk of damage due to lighting.

 

В чем опасность молнии?

Перед рассмотрением опасных воздействий молнии целесообразно обратиться к глоссарию, где приведены несколько важных определений.

Воздействие молнии принято разделять на две основные группы: первичные, вызванные прямым ударом молнии, и вторичные, индуцирован­ные близкими ее разрядами или занесенные на объект протяженными металлическими коммуникациями.

Опасность прямого удара и вторичных воздействий молнии для зда­ний и сооружений (а также для находящихся в них людей и оборудования) определяется, с одной стороны, параметрами разряда молнии, а с другой – технологическими и конструктивными характеристиками объекта (наличие взрыво- или пожароопасных зон, огнестойкость строительных конструкций, вид вводимых коммуникаций, их расположение внутри объекта и т.д.).

 

Первичные проявления

Прямой удар молнии оказывает следующие воздействия на объект:

электрические, связанные с поражением людей или оборудования электрическим током и появлением перенапряжения на пораженных элементах. Перенапряжение пропорционально амплитуде и крутизне тока молнии, индуктивности конструкций и сопротивлению заземлителей, по которым ток молнии отводится в землю. Даже при выполнении молниезащиты прямые удары молнии с большими токами и их крутизной могут привести к перенапряжению в несколько мегавольт. При отсутствии молниезащиты пути растекания тока молнии неконтролируемы и ее удар может создать опасность поражения током, опасные напряжения шага и прикосновения, перекрытия на другие объекты;

термические, связанные с резким выделением теплоты при прямом контакте канала молнии с содержимым объекта и при протекании через объект тока молнии. Выделяемая в канале молнии энергия определяется переносимым зарядом, длительностью вспышки и амплитудой тока молнии; в 95% случаев разряда тока молнии эта энергия (в расчете на сопротивление 1 Ом) превышает 5,5 Дж, что на два-три порядка превышает минимальную энергию воспламенения большинства газо-, паро- и пылевоздушных смесей, встречающихся в промышленности. Следовательно, в таких средах контакт с каналом молнии всегда создает опасность воспламенения (а в некоторых случаях взрыва). То же относится к случаям проплавления каналом молнии корпусов взрывоопасных наружных установок. При протекании тока молнии по тонким проводникам создается опасность их расплавления и разрыва. Не нужно говорить, что никакая электронная аппаратура «не переживет» контакта с каналом молнии;

механические, обусловленные ударной волной, распространяющейся от канала молнии, и электродинамическими силами, действующими на проводники с токами молнии. Это воздействие может быть причиной, например, сплющивания тонких металлических трубок. Контакт с каналом молнии может вызвать резкое паро- или газообразование в некоторых материалах с последующим механическим разрушением, например, расщеплением древесины или образованием трещин в бетоне.

 

Вторичные проявления

Вторичные проявления молнии связаны с действием на объект электромагнитного поля близких разрядов. Обычно это поле рассматривают в виде двух составляющих: первая обусловлена перемещением зарядов в лидере и канале молнии, вторая – изменением тока молнии во времени. Эти составляющие иногда называют электростатической и электромагнитной индукцией.

Электростатическая индукция проявляется в виде перенапряжения, возникающего на металлических конструкциях объекта и зависящего от тока молнии, расстояния до места удаpa и сопротивления устройств заземления. При отсутствии надлежащего заземления перенапряжение может достигать сотен киловольт и создавать опасность поражения людей, оборудования и возможность перекрытий между разными частями объекта.

Электромагнитная индукция связана с образованием в металлических контурах ЭДС, пропорциональной крутизне тока молнии и площади, охватываемой контуром. Протяженные коммуникации в современных зданиях могут образовывать контуры, охватывающие большую площадь, в которых возможно наведение ЭДС в несколько десятков киловольт. В местах сближения протяженных металлических конструкций, в разрывах незамкнутых контуров создается опасность перекрытия и искрения с возможным рассеянием энергии около десятых долей джоуля.

Еще одним видом опасного воздей­ствия молнии является занос высокого потенциала по вводимым в объект коммуникациям (проводам воздушных линий электропередачи, кабелям, трубопроводам). Он представляет собой перенапряжение, возникающее на коммуникациях при прямых и близких ударах молнии и распространяющееся в виде набегающей на объект волны. Опасность создается за счет возможных перекрытий с коммуникаций на заземленные части объекта. Подземные коммуникации также представляют опасность, так как могут принять на себя часть растекающихся в земле токов молнии и занести их в объект.

 

Сага о молниеотводе

 Молниезащита представляет собой комплекс мероприятий, направленных на предотвращение прямого удара молнии в объект или на устранение опасных последствий, связанных с прямым ударом. К этому комплексу относятся также средства защиты, предохраняющие объект от вторичных воздействий молнии и заноса высокого потенциала.

Средством защиты от прямых ударов молнии служит молниеотвод – устройство, рассчитанное на непосредственный контакт с каналом молнии и отводящее ее ток в землю.

Молниеотводы разделяются на отдельно стоящие, обеспечивающие растекание тока молнии, минуя объект, и установленные на самом объекте. Растекание тока происходит по контролируемым путям, так что обеспечивается низкая вероятность поражения людей, оборудования, взрыва или пожара.

Подробно вопрос организации молниеотводов и защиты от прямого попадания молнии в этой статье мы рассматривать не будем, так как решение этого вопроса не является обязанностью системных интеграторов, проектирующих и монтирующих СКС. Задача должна быть решена на этапе проектирования и строительства здания. Об этом говорят хотя бы украинские «Правила пожежної безпеки в Україні» (2001 г.), обязательные для выполнения всеми без исключения организациями и физическими лицами. Пункт 5.1.35 указанных правил гласит: «Захист будівель, споруд та зовнішніх установок від прямих попадань блискавки i вторинних ïï проявів має виконуватися відповідно до вимог РД 34.21.122-87». При невыполнении этого требования государственная приемная комиссия не имеет права разрешить эксплуатацию здания (ДБН А 3.1-3-94 «Прийняття в експлуатацію закінчених будівництвом об'єктів. Основні положення»). Мало того, согласно ДБН А.3.1-3-94, генеральный подрядчик должен предоставить рабочей комиссии акты об испытании системы молниезащиты (пункт 2.7).

Другой документ, который говорит о том же, – ДБН В.2.2-9-99 «Громадські будинки та споруди. Основні  положення». Пункт 7.34 гласит: «Блискавкозахист громадських будинків повинен виконуватися з урахуванням наявності телевізійних антен i трубостояків слабкострумових мереж згідно з РД 34.21.122».

 

Документ РД 34.21.122

Основной украинский нормативный документ по организации молниезащиты – РД 34.21.122 «Инструкция по устройству молниезащиты зданий и сооружений».

Особенностью этого документа является то, что в нем достаточно подробно проработан вопрос защиты зданий и сооружений от прямых попаданий молнии и вопрос организации молниеотводов. Вопрос же борьбы с вторичными проявлениями молнии рассмотрен достаточно поверхностно. Кроме того, для этого документа характерно рассмотрение проблемы молниезащиты исключительно с позиций электрической и пожарной безопасности, но никак не с позиции сохранности электронного оборудования и электромагнитной совместимости.

Итак, что же описывает упомянутый документ? В инструкции РД 34.21.122 принят дифференцированный подход к выполнению молниезащиты различных объектов, в связи с чем все здания и сооружения разделены на три категории, отличающиеся по тяжести (с позиций электрической и пожарной безопасности) возможных последствий поражения молнией.

К I категории отнесены производственные помещения, в которых в нормальных технологических режимах могут находиться и образовываться взрывоопасные концентрации газов, пыли, паров, волокон. Любое поражение молнией, вызывая взрыв, создает повышенную опасность разрушений и жертв не только для данного объекта.

Во II категорию попадают производственные здания и сооружения, в которых появление взрывоопасной концентрации происходит в результате нарушения технологического режима.

К III категории отнесены объекты, последствия поражения которых связаны с меньшим материальным ущербом. Большие общественные здания относятся к этой категории (нужно, однако, помнить, что во времена написания инструкции в общественных зданиях не устанавливалось много дорогого электронного оборудования).

Здания, где могут устанавливаться СКС, относятся к следующим категориям:

  здания вычислительных центров, в том числе расположенные в городской застройке;

  жилые и общественные здания, высота которых более чем на 25 м больше средней высоты окружающих зданий в радиусе 400 м, а также отдельно стоящие здания высотой более 30 м, удаленные от других зданий более чем на 400 м;

  отдельно стоящие жилые и общественные здания в сельской местности высотой более 30 м;

  общественные здания IIIV степени огнестойкости следующего назначения: детские дошкольные учреждения, школы и школы-интернаты, стационары лечебных учрежде­ний, спальные корпуса и столовые учреждений здравоохранения и отдыха, культурно-просветительные и зрелищные учреждения; административные здания, вокзалы, гостиницы, мотели и кемпинги. Все перечисленные здания относятся к III категории и должны находиться в зоне защиты Б (вероятность защиты 95%) при использовании стержневых и тросовых молниеотводов.

Здания и сооружения I и II категории должны быть защищены от прямых ударов молнии, вторичных ее проявлений и заноса высокого потенциала через наземные (надземные) и подземные металлические коммуникации. Здания и сооружения III категории должны быть защищены от прямых ударов молнии, вторичных ее проявлений и заноса высокого потенциала через наземные (надземные) металлические коммуникации (подземные исключены).

Как видно, инструкция РД 34.21.122 предъявляет достаточно невысокие требования к молниезащите общественных и административных зданий, и было бы достаточно логичным пересмотреть эти требования в сторону ужесточения при установке в таких зданиях СКС и дорогостоящего электронного оборудования. Это, собственно, и сделано в некоторых ведомственных строительных нормах, рекомендациях и отраслевых стандартах.

 

Защита от вторичных проявлений молнии

Рассмотрим подробнее вопрос защиты от вторичных проявлений молнии. Инструкция РД 34.21.122 рекомендует следующее.

Защита от перекрытий на защищаемый объект при поражении отдельно стоящих молниеотводов достигается надлежащим выбором конструкций заземлителей и изоляционных расстояний между молниеотводом и объектом. Защита от перекрытий внутри здания при протекании по нему тока молнии обеспечивается надлежащим выбором количества токоотводов, проложенных к заземлителям кратчайшими путями.

Для зданий I категории металлические конструкции и корпуса всего оборудования и аппаратов, находящихся в здании, должны быть присоединены к заземляющему устройству электроустановок или к железобетонному фундаменту здания. Наименьшие допустимые расстояния в земле между этим заземлителем и заземлителями защиты от прямых ударов молнии нормируются и составляют обычно минимум от 5 до 10 м.

Для исключения заноса высокого потенциала в защищаемое здание аналогичное расстояние должно быть выдержано между подземными металлическими коммуникациями (в том числе электрическими и информационными кабелями любого назначения) и заземлителями защиты от прямых ударов молнии. Для этой же цели подземные входящие металлические коммуникации (трубопроводы, кабели в наружных металлических оболочках или трубах) должны быть присоединены на вводе в здание или сооружение к арматуре его железобетонного фундамента, а при невозможности использования последнего в качестве заземлителя – к искусственному заземлителю.

Защита от заноса высокого потенциала по внешним наземным (надземным) металлическим коммуникациям должна осуществляться путем их заземления на вводе в здание (или сооружение) и на двух ближайших к этому вводу опорах коммуникаций.

Для зданий II и III категории во всех возможных случаях заземлитель защиты от прямых ударов молнии должен быть объединен с заземлителем электроустановок (пункты 1.7, 2.13 и 2.26 инструкции РД 34.21.122). При установке отдельно стоящих молниеотводов расстояние от них по воздуху и в земле до защищаемого объекта и вводимых в него коммуникаций не нормируется.

Защита от напряжений прикосновения и шага обеспечивается путем прокладки токоотводов в малодоступных для людей местах и равномерного размещения заземлителей по территории объекта.

Защита от действия электромагнитной индукции (импульса) достигается ограничением площади незамкнутых контуров внутри зданий путем наложения перемычек в местах сближения металлических коммуникаций.

Для I категории внутри зданий (и сооружений) между трубопроводами и другими протяженными металлическими коммуникациями в местах их взаимного сближения на расстояние менее 10 см через каждые 20 м следует приваривать или припаивать перемычки из стальной проволоки диаметром не менее 5 мм или стальной ленты сечением не менее 24 мм2; для кабелей с металлическими оболочками или броней перемычки должны выполняться из гибкого медного проводника в соответствии с указаниями СНиП 3.05.06-85. В соединениях элементов трубопроводов, кабельных каналов или других протяженных металлических предметов должны быть обеспечены переходные сопротивления не более 0,03 Ом на каждый контакт. Например, во фланцевых соединениях трубопроводов этому требованию соответствует затяжка шести болтов на каждый фланец. При невозможности обеспечения контакта с указанным переходным сопротивлением необходимо устройство стальных перемычек (см. выше).

Для зданий I категории ввод воздушных линий электропередачи напряжением до 1 кВ, телефонной сети, радио, сигнализации должен осуществляться только кабелями длиной не менее 50 м с металлической броней или оболочкой или кабелями, проложенными в металлических трубах. На вводе в здание металлические трубы, броня и оболочки кабелей, в том числе с изоляционным покрытием металлической оболочкой, должны быть присоединены к железобетонному фундаменту здания или к искусственному заземлителю.  

Так как СКС не имеет линий, выходящих за пределы здания, за исключением магистральных, как правило, волоконно-оптических, то подробное рассмотрение технических мероприятий по защите от заноса высокого потенциала мы в статье рассматривать не будем.

Отдельного рассмотрения заслуживает вопрос защиты оборудования телефонных линий при их вводе в здание. По этому вопросу существует достаточно большое количество отраслевых стандартов, инструкций и рекомендаций Международного союза электросвязи. Однако данное оборудование не является частью СКС и, естественно, не описывается стандартами на СКС.

 

Стандарт IEC 1312-1

Мы рассмотрели достаточно по­дробно инструкцию РД 34.21.122, но, как видно, в этом документе отсутствуют какие-либо рекомендации по защите электронного оборудования от вторичных проявлений молнии. Приходится констатировать, что международная нормативная база намного опережает отечественную. Поэтому при рассмотрении мероприятий по защите от действия ЭМИ мы обратимся к международному стандарту IEC 1312-1 (02-1995) Protection against lighting electromagnetic impulse. Part 1: General principles.

Согласно этому стандарту, объем (здание), подлежащий защите, разделяется на защитные зоны LPZ (lighting protection zone) (рис. 2):

 

Рис. 2. Общий принцип деления защищаемого объема на защитные зоны (LPZ)

  

LPZ ОА – зона, внутри которой нет защиты от прямого попадания молнии, в нее ЭМИ попадает без затухания,

LPZ 0В – зона, защищенная от прямого попадания молнии, в которую ЭМИ попадает без затухания,

LPZ1 – зона, защищенная от прямого попадания молнии, внутри которой токи, наводимые на проводящих предметах, значительно меньше чем в зоне 0В. В этой зоне электромагнитные поля могут быть также ослаблены мероприятиями по экранированию.

Если требуется уменьшение токов проводимости и электромагнитных полей, могут быть введены дополнительные зоны (например, LPZ2). Требования к этим зонам могут быть установлены, исходя из требований на электромагнитное окружение для оборудования, подлежащего защите. Больший номер зоны соответствует лучшей электромагнитной обстановке.

На границе между зонами требуется соединение всех металлических коммуникаций (подробно описано в стандарте IEC 1024-1), а также может быть применено экранирование. Электромагнитные поля внутри зоны зависят от количества и размеров проемов (например, окон), токов в металлических проводниках (заземляющие проводники, экраны кабелей, металлические трубы и кабель-каналы).

 

 

Рис. 3. Пример разделения здания на несколько защитных зон (LPZ)

 

На рис. 3 показан пример разделения здания на несколько защитных зон. Все силовые и информационные линии входят в защищенную зону LPZ1 в одной точке и присоединяются на заземляющую шину № 1 на границе зон LPZ 0A, LPZ 0B и LPZ1. Дополнительно к этому линии заземлены на внутренней заземляющей шине № 2 на границе между зонами LPZ1 и LPZ2. Кроме того, внешний экран № 1 присоединен к заземляющей шине № 1 и внутренний экран № 2 присоединен к заземляющей шине № 2. Если кабели переходят из одной защитной зоны в другую, то на каждой границе перехода обязательно должно быть выполнено их заземление. Зона LPZ2 выполнена таким образом, что токи молнии (прямые или вторичные) не могут проникать внутрь зоны или пересекать ее.

Если в здании существует несколько систем, между которыми проходят силовые и информационные кабели, их системы заземляющих проводников должны быть объединены. Наличие большого количества параллельных проводников (путей) уменьшает токи в кабелях. Сетчатая структура заземляющих проводников наиболее полно удовлетворяет этим требованиям. Система заземления общественных зданий подробно описана в стандарте IEC 1024-1.

Последствия воздействия молнии также уменьшаются путем помещения всех кабелей в металлические каналы или сетки, которые должны быть интегрированы в сетчатую структуру заземления.

На рис. 4 показан пример сетчатой структуры заземления в здании с внешним устройством защиты от прямого попадания молнии.

 

 

Рис. 4. Пример сетчатой структуры заземления в здании с внешним устройством

защиты от прямого попадания молнии

 

       Экранирование – основная мера борьбы с электромагнитным импульсом (ЭМИ) и помехами. На рис. 5 показаны возможные меры борьбы с ЭМИ. К ним относятся: внешнее экранирование; прокладка металлических коммуникаций таким образом, чтобы минимизировать площадь незамкнутых контуров в вертикальной плоскости; экранирование кабельных линий. Эти меры могут сочетаться и применяться одновременно.

 

 

Рис. 5. Возможные меры борьбы с ЭМИ и помехами

  

Для улучшения электромагнитной обстановки в здании все металлические части значительных размеров (например, металлическая крыша или фасад, арматура здания, металличес­кие рамы окон и дверей) должны быть соединены вместе и с устройством молниезащиты.

Там, где в защищенной зоне используются экранированные кабели, их экраны должны быть заземлены с обеих сторон и на границе между зонами LPZ разных уровней защиты.

Кабели, идущие между отдельными системами здания, должны быть помещены в металлические кабельные каналы. Каналы должны сохранять свою непрерывность из конца в конец, их необходимо заземлить на заземляющие шины отдельных систем здания. Экраны кабелей тоже должны быть заземлены на упомянутые заземлительные шины. Металлические кабельные каналы можно не использовать, если экраны кабелей выдержат токи молнии.

Когда внешние металлические коммуникации, электрические и информационные кабели заходят в здание с нескольких сторон, возможно, понадобится создать несколько заземляющих шин, которые обязательно должны быть качественно соединены между собой кольцевой шиной (рис. 6).

 

Рис. 6. Ввод в здание внешних коммуникаций

 

Кольцевая шина должна быть присоединена к арматуре здания и другим экранирующим элементам обычно через каждые 5 м (подробнее см. IEC 1024-1). Минимальное сечение медных или гальванизированных стальных заземляющих шин должно быть не менее 50 мм2.

Однако было бы очень желательно, чтобы внешние металлические коммуникации, электрические и информационные кабели заходили в здание в одной точке (рис. 7). Это особенно важно для зданий, где не применяется экранирование. Заземляющая шина на вводе в здание должна качественно и надежно соединяться с заземлителем здания.

 

       Рис. 7. Ввод в здание внешних                      Рис. 8. Распределение тока молнии

       коммуникаций в одной точке                          между заземлителем и входящими 

                                                                           коммуникациями

  

Для наземных внешних (входящих) металлических коммуникаций, для силовых и информационных линий должны быть учтены частичные токи протекания при ударе молнии. Когда индивидуальная оценка для каждой коммуникации невозможна, необходимо принять к расчету, что 50% тока молнии уходит на заземлитель системы молниезащиты, остальные 50% распределяются между уже упомянутыми входящими коммуникациями. Значение тока, приходящегося на каждую коммуникацию, рассчитывается как частное от деления тока молнии и количества коммуникаций (рис. 8).

Для расчета тока в каждом проводнике неэкранированного кабеля необходимо ток молнии, приходящийся на этот кабель, разделить на количество проводников в кабеле. Для экранированных кабелей следует считать, что ток распространяется по экрану.

Для жилых (частных) домов телефонную линию можно не учитывать как входящую коммуникацию, так как она не подвержена действию таких больших токов, как остальные коммуникации. Тем не менее, телефонная линия должна быть защищена и рассчитана на протекание как минимум 5 процентов тока молнии.

Внутри защищенной зоны (например, LPZ1, LPZ2) все внутренние проводящие части значительных размеров такие, как лестницы, перила, фермы, металлические полы, металлические рамы дверей, трубопроводы, кабельные каналы, должны быть соединены с заземлительной шиной или другими заземленными металлическими деталями кратчайшим путем. Рекомендуются дополнительные множественные соединения между проводящими частями.

Для незащищенных металлических частей информационной системы должна быть построена система заземляющих проводников. В принципе, систему заземляющих проводников можно не присоединять к заземлителю, но все варианты систем заземляющих проводников, описанные в этой статье, обязательно должны быть заземлены.

Существует два принципиальных способа объединения металлических частей информационной системы (шкафы, стойки или панели): звездообразная – типа S и сетчатая – типа М (рис. 9).

 

 

Рис. 9. Варианты построения системы заземляющих проводников

для информационной системы

 

Система типа S предполагает, что все металлические части информационной системы соответствующим образом изолированы от общей системы заземления здания, кроме заземлителя здания (главной шины заземления). Система типа S применяется в относительно малых, замкнутых системах, где все коммуникации и кабели заходят в информационную систему в одной точке.

Система типа S соединяется с общей системой заземления здания только в одной точке (ERP). В этом случае все кабели между единицами оборудования должны идти параллельно с заземляющими проводниками, следуя звездообразной топологии, для уменьшения площади незамкнутых контуров. Благодаря звездообразной топологии и единой точке заземления низкочастотные токи, порожденные молнией, не могут попасть в систему заземляющих проводников информационной системы. Кроме того, низкочастотные источники помех внутри информационной системы не порождают токов в системе заземления.

Система типа М предполагает, что металлические части информационной системы не изолированы от общей системы заземления здания. Система заземляющих проводников типа М соединяется с общей системой заземления здания во многих точках (см. рис. 9).

Обычно система типа М используется в относительно больших и открытых системах, когда большое количество линий и кабелей соединяют единицы оборудования и где внешние коммуникации и кабельные линии заводятся в здание в нескольких точках.

В такой системе достигается малое сопротивление по высокой частоте. Более того, множественные короткозамкнутые контуры заземляющих проводников приводят к тому, что в здании отсутствуют незамкнутые контуры большой площади (рис. 10), таким образом уменьшая собственные магнитные поля в области информационной системы.

 

 

Рис. 10. Уменьшение площади незамкнутых контуров в информационной системе

 

В сложных системах могут быть комбинированы системы заземляющих проводников обоих типов.

Обычно соединение системы заземляющих проводников с заземляющей шиной осуществляется на границе защитной зоны LPZ, однако это не обязательно.

Заканчивая рассмотрение вопросов, связанных с защитой здания от действия электромагнитного импульса, хотелось бы отметить, что большинство нормативных документов (особенно отечественных) не дает однозначного ответа на многие вопросы, а также не имеет достаточно проработанной методической части.

 

Александр Савчук

Менеджер отдела Private компании

«Райхле и Де Массари Украина»,

asrdm@rdmua.com.ua,

(044) 201-19-00 (внутр. 224)

 

 

 

Глоссарий

Прямой удар молнии (поражение молнией) — непосредственный контакт канала молнии со зданием или сооружением, сопровождающийся протеканием через него тока молнии.

Вторичное проявление молнии — наведение потенциалов на металлических элементах конструкции, оборудования, в незамкнутых металлических контурах, вызванное близкими разрядами молнии и создающее опасность искрения внутри защищаемого объекта.

Заземлитель — проводник (электрод) или совокупность металлически соединенных между собой проводников (электродов), находящихся в непосредственном соприкосновении с землей.

Заземляющий проводник — проводник, соединяющий заземляемые части с заземлителем. Заземляющее устройство — совокупность заземлителя и  заземляющих проводников.

Заземлитель молниезащиты — один или несколько проводников, находящихся в непосредственном соприкосновении с землей и предназначенных для отвода в землю токов молнии или ограничения перенапряжений, возникающих на металлических корпусах, оборудовании, коммуникациях при близких разрядах молнии. Заземлители делятся на естественные и искусственные.

Занос высокого потенциала — перенесение в защищаемое здание или сооружение по протяженным металлическим коммуникациям (подземным и наземным (надземным) трубопроводам, кабелям и т.п.) электрических потенциалов, возникающим при прямых и близких ударах молнии и создающих опасность искрения внутри защищаемого объекта.

Защитное заземление — заземление частей электроустановки с целью обеспечения электробезопасности.

Молниеотвод — устройство, воспринимающее удар молнии и отводящее ее ток в землю.

В общем случае молниеотвод состоит из опоры; молниеприемника, непосредственно воспринимающего удар молнии; токоотвода, по которому ток молнии передается в землю; заземлителя, обеспечивающего растекание тока молнии в земле.

Зона защиты молниеотвода — пространство, внутри которого здание или сооружение защищено от прямых ударов молнии с надежностью не ниже определенного значения. Наименьшей и постоянной надежностью обладает поверхность зоны защиты; в глубине зоны надежность защиты выше, чем на ее поверхности. Согласно нормативному документу РД 34.21.122-87, зона защиты А должна обладать надежностью 99,5% и выше, а типа Б — 95% и выше.

Конструктивно молниеотводы разделяются на следующие виды: стержневые (вертикальные), тросовые (протяженные), сетки (многократные горизонтальные молниеприемники, пересекающиеся под прямым углом и укладываемые сверху на защищаемое здание).

Магистраль заземления или зануления — соответственно заземляющий или нулевой защитный проводник с двумя или более отводами.

Естественные заземлители — заглубленные в землю металлические и железобетонные конструкции зданий и сооружений.

Искусственные заземлители — специально проложенные в земле контуры из полосовой или круглой стали; сосредоточенные конструкции, состоящие из вертикальных и горизонтальных проводников.

Отдельно стоящие молниеотводы — это те, опоры которых установлены на земле на некотором удалении от защищаемого объекта.

          Перекрытие — искровой разряд между двумя проводящими элементами здания или сооружения.

 

 

№ 3&4 (август-сентябрь) 2002