Российские нормативы по молниезащите. Проблемы и перспективы.

Аннотация
 
Российская система нормативных документов в сфере молниезащиты не соответствует современным знаниям о природе молнии и способах защиты от нее.
Организация
 
 
(Россия)
Авторы
 
Лев Полетаев (заместитель генерального директора ООО «Электра», г. Екатеринбург)
Алексей Ротанов (директор по развитию ООО «Электра», г. Екатеринбург)
 
Российская система нормативных документов в области молниезащиты не всегда эффективна, зачастую она не соответствует современным запросам проектировщиков. Эта проблема неоднократно обсуждалась в профессиональном сообществе. Алексей Викторович Ротанов доказывает необходимость разработки госта, регламентирующего системы внешней и внутренней молниезащиты, и рассказывает о шагах, которые предпринимаются для этого.
Новые нормативы по молниезащите. Необходимость и перспективы

Молниевые разряды между грозовым облаком и Землей представляют собой наибольшую опасность для людей и животных, зданий и сооружений, энергетических объектов и коммуникаций, а также электронной аппаратуры.

Под словом «молния» в данной статье подразумевается молния, возникающая между грозовым облаком и поверхностью Земли или расположенным на Земле объектом. Наиболее часто, примерно 90% [1] – 95% [2], встречаются нисходящие молнии, которые и будут рассмотрены. Вне зависимости от типа молнии, суть явления сохраняется.

Воздействия молнии разделяют на первичные (вызванные прямым ударом молнии) и вторичные (индуцированные близким ударом молнии или занесенные по внешним коммуникациям).

Прямой удар молнии (непосредственный контакт канала молнии с объектом) воздействует термически (опасность возгорания или проплавления), механически (ударная волна или электродинамические воздействия), электрически (поражение током людей и животных, выход из строя электрической и электронной аппаратуры).

Вторичные последствия удара молнии непосредственно в объект или вблизи него – электростатическая (перемещение зарядов в канале молнии) и электромагнитная (изменение тока молнии во времени) индукция, или занос высокого потенциала в объект по коммуникациям – вызывают перенапряжения внутри объекта или опасное искрение.

Опасное искрение зачастую является причиной пожаров емкостей с горючими смесями, а также на трубопроводах.

Достаточно подробно опасные воздействия молнии описаны в [3 и 4], а также в трудах многих других ученых.

Согласно собранной ООО «Электра» статистике несчастных случаев, причиной которых явился удар молнии, за 2014–2018 годы на территории России произошло 2946 пожаров и возгораний, в которых погибло 12 человек и 36 человек было травмировано (по информации МЧС России). По данным Министерства здравоохранения РФ, за этот же период от ударов молнии погибло 69 человек. Подавляющее количество пожаров – 2376 (80,7%), 33 (92%) случаев травмирования и 100% случаев гибели людей – здания жилого назначения и надворные постройки. Большинство зданий жилого назначения – индивидуальные жилые дома. Необходимость молниезащиты таких объектов определяет, в настоящее время, собственник. Как следствие, системы молниезащиты индивидуальных жилых домов и надворных построек зачастую отсутствуют или не подвергаются ежегодной проверке.

Каждый пожар, не говоря уже о травмировании и гибели людей – не просто несчастный случай, но и дополнительные расходы как владельцев пострадавших объектов (в большинстве случаев значительно превышающие стоимость системы молниезащиты), так и средств федерального и областных бюджетов.

Система молниезащиты: проблема эффективности

Факты продолжающейся регистрации несчастных случаев по причине удара молнии свидетельствуют как о необходимости повсеместного внедрения систем молниезащиты в законодательном порядке, так и о необходимости повышения эффективности при одновременном снижении стоимости этих систем. Широкомасштабное внедрение недорогих эффективных систем молниезащиты должно и будет способствовать развитию здоровой конкуренции производителей и снижению себестоимости систем молниезащиты за счет простоты и высокой скорости монтажа. Как следствие, системами молниезащиты будет оснащено большее количество зданий и сооружений.

Для решения проблемы повышения эффективности систем молниезащиты необходимо, на законодательном уровне, разработать и ввести новый нормативный документ (ГОСТ) по молниезащите, с учетом современных достижений науки о природе молнии.

Наиболее эффективным способом борьбы с прямым ударом молнии и ее вторичными проявлениями, на настоящее время, является применение систем молниезащиты. Назначение системы молниезащиты – ориентирование от защищаемого объекта и прием прямого удара молнии, распределение и рассеяние тока молнии в земле (внешняя молниезащита), а также предупреждение заноса высокого потенциала и защита от импульсных перенапряжений (внутренняя молниезащита).

Стоит отметить, что если еще в относительно недавние времена основной опасностью удара молнии были пожары, вызванные ее термическим воздействием, то в настоящее время все более актуальными становятся и способы защиты электронной аппаратуры от вторичных воздействий молнии.

Несмотря на то, что вопросы организации внутренней молниезащиты в данной статье не рассматриваются, следует отметить необходимость комплексного решения молниезащиты объекта в целом. Например, рациональное распределение токов молнии по системе токоотводов и грамотная организация системы рассеивания тока молнии в земле способно существенно снизить воздействия вторичных проявлений прямого удара молнии на инфраструктуру объекта. [5]

Состав внешней молниезащиты прост: молниеприемник, токоотводы и система заземления.

При этом если с выбором токоотводов (их количеством, материалом, сечением, способом прокладки и т. п.) и системой молниезащитного заземления дела обстоят достаточно «просто», с точки зрения проектирования и экспериментального подтверждения правильности проведенных расчетов, то вопрос ориентирования и приема молнии остается, на сегодняшний день, недостаточно изученным.

Молниезащита: история и современность

Сегодня считается, что молниеотвод изобрел Бенджамин Франклин. Более 250 лет назад, в 1752 г., он экспериментально доказал электрическую природу молнии и предложил способ защиты от нее с помощью заземленного металлического стержня.

Тем не менее, способы защиты от молнии в древних Египте и Палестине описаны Стекольниковым И.С. в [3].

Самый старый, из известных сохранившихся, молниеотвод находится в России, на построенной в первой половине 18-го века (разные источники называют даты окончания постройки от 1721 до 1742 г.) знаменитой Невьянской башне в городе Невьянск Свердловской области. На вершине башни расположен заземленный, через каркас здания, металлический шпиль с покрытым шипами металлическим шаром и расположенным чуть ниже флюгером, на котором выбит дворянский герб Демидовых.

С тех пор в существующей практике молниезащиты мало что изменилось. С удовольствием процитирую Стекольникова И.С.: «проходили века, а слабый рост знаний об атмосферном электричестве не давал оснований к разработке сколько-нибудь рациональных методов грозозащиты» [3]. Здесь же кратко изложен исторический обзор развития теории и практики молниезащиты. С каждым годом объем накопленных знаний о молнии и молниезащите увеличивается.

Если в 2001 г. Базелян Э. и Райзер Ю. писали, что «мы ничего не знаем из полевых наблюдений о размерах стримерной зоны лидера молнии, даже сам факт ее существования приходится домысливать» [4], то в марте 2019 г. на портале «Научная Россия» появилась новость о том, что специалистами Лаборатории физики молний ИПФ РАН совместно с коллегами из Высоковольтного центра НИИТФ в Истре удалось получить детальные изображения стримерных вспышек, происходящих в моменты скачков лидеров, как в положительном, так и в отрицательном длинных искровых разрядах. Факт наличия в стримерной вспышке стримеров, распространяющихся в направлении, противоположном направлению движения лидера, был установлен впервые и существенно меняет сложившееся представление о форме стримерных вспышек, которые предполагались сосредоточенными в конусе с углом раскрытия порядка 90 градусов .

В настоящее время, благодаря развитию технологий как визуального (при помощи высокоскоростных камер, в первую очередь) наблюдения молниевых разрядов, так и регистрации молний по электромагнитному, рентгеновскому и гамма-излучениям, сведения о природе молнии обогащаются все новыми данными, появляются подтвержденные наблюдениями и опытами новые теории о причинах возникновения молнии и, как следствие, способах молниезащиты.

Тем не менее, споры между учеными об оптимальном способе защиты от прямого удара молнии продолжаются и в настоящее время.

Если Александров Н., Базелян Э. и Райзер Ю. в 2003 г. пришли к выводу, что «при установке на объект специальных коронирующих систем может быть практически исключено возникновение и развитие восходящих молний» [6], то уже в 2014 г. Becerra M. утверждает, что «нетрадиционные системы молниезащиты, основанные на генерации короны свечения, притягивают нисходящие вспышки молнии аналогично стандартному молниеприемнику такой же высоты» [7].

Даже об эффективных, с точки зрения приема удара молнии, размерах и форме острия молниеприемника ученые не пришли к окончательному выводу. Так, если Александров Н. и Базелян Э. утверждают, что «условия для возникновения жизнеспособного лидера не чувствительны к радиусу вершины стержневого молниеприемника, если он находится в пределах 0,05–5 см» [8], то выводы Темникова А. показывают «значительное влияние размеров вершины модели стержневого молниеотвода на вероятность поражения модели защищаемого объекта разрядом из облака» [9].

При этом Ahmad N. утверждает, что «экспериментально доказано, что тупой стержень может быть лучшим приемником молниевого удара и предлагается, чтобы широко используемый обычный острый стержень был заменен тупым стержнем» [10]. Его выводы поддерживает Haris H.C.M.: «молниеприемник с тупым наконечником и диаметром 9,5 мм является наиболее подходящим для системы молниезащиты» [11].

В свою очередь, эксперименты проведенные Князевым В., показали «некоторое преимущество образца в виде стержня кругового сечения с заостренной вершиной» [12].

В [13] Чернухиным А., также по результатам проведенных экспериментальных исследований, рекомендуется принять в качестве эталонного молниеприемника стержень квадратного сечения (сторона 12 мм) с плоской вершиной.

Указанные противоречия, безусловно, требуют проведения дополнительных экспериментов в полевых условиях.

Пожалуй, единственное, в чем сходятся ученые, так это в том, что основной задачей защиты от прямого удара молнии является переориентировка молнии от объекта к молниеприемнику.

Новые нормативы по молниезащите: возможности и необходимость

В настоящее время на территории России действуют следующие нормативные документы по молниезащите: ГОСТ (серия) 62305, ГОСТ (серия) 62561, РД 34.21.122 – 87, СО 153-34.21.122-2003.

Кроме того, существует целый ряд отраслевых нормативов: РД 153-34.3-35.125-99 (РАО «ЕЭС России»), ВСП-22-02-07/МО РФ, РД 91020.00-КТН-021-11 (ПАО «Транснефть»), СТО Газпром 2-1.11-170-2007, СТО РЖД 08.024-2015 и СТО РЖД 08.026-2015 и другие.

Существует также множество документов, регламентирующих порядок применения устройств защиты от импульсных перенапряжений, а также систем уравнивания потенциалов и заземления.

Для создания оптимального по эффективности и, в то же время, экономичного, проекта молниезащиты, проектировщику приходится учитывать требования практически всех выше указанных нормативных документов, учитывая, при этом, противоречия между ними.

Необходимость переработки действующих в настоящее время нормативных документов по молниезащите назрела давно. Предложения по внесению изменений и совершенствованию нормативов описаны во многих работах [14, 15, 16, 17, 18, 19]. Огромная база накопленной за последние годы информации требует переработки и обобщения. Современные теории формирования грозовых облаков, инициации и развития молниевых разрядов (теории Гуревича, Александрова, и других ученых), изучение оптимальных и эффективных конфигураций систем рассеяния тока молнии в земле – должны найти отражение в современных нормативах по молниезащите.

Кроме того, в существующих нормативах не учтено влияние самого объекта, его окружения, а также особенности географического положения, окружающей среды и погодных условий, на развитие и ориентировку нисходящего лидера [20, 21, 22, 23, 24].

При этом, безусловно, необходимо учитывать опыт накопленный как российскими, так и зарубежными учеными (Cooray V., Becerra M., Hartono Z. и другие).

Необходимость создания современной системы национальных стандартов и нормативных документов по молниезащите зафиксировано в Решении по результатам работы V Российской конференции по молниезащите в мае 2016 г.

Тем не менее, реальных результатов решения данного вопроса нет.

В настоящее время между ООО «Электра» и АО «Энергетический институт им. Г.М. Кржижановского» (АО «ЭНИН») идут переговоры о проведении комплекса работ на разработку и введение нового, межгосударственного, ГОСТ по устройству молниезащиты зданий и сооружений. Финансирование данной работы будет осуществлять ООО «Электра».

Проект технического задания на разработку нового ГОСТ разослан ведущим российским ученым с запросом их предложений по внесению предложений по структуре и содержанию указанного документа.

По утверждении и введении нового ГОСТ предполагается отмена действующих на территории России нормативных документов РД 34.21.122-87 и СО 153-34.21.122-2003.

Новый ГОСТ по устройству молниезащиты зданий и сооружений будет включать в себя как требования к проектированию, монтажу и обслуживанию непосредственно самой системы молниезащиты, так и требования к программному обеспечению для ее расчета.

Программное обеспечение

Накопленные на настоящее время сведения о зарождении и развитии молнии, стохастический характер продвижения нисходящего лидера молнии, учет влияния структуры защищаемого объекта и его окружения на развитие и ориентировку нисходящего лидера молнии, конкурентное развитие восходящих лидеров от объекта и молниеприемника, способы эффективного рассеяния тока молнии в земле, и, как следствие, необходимость учета множества факторов, влияющих на эффективность внешней молниезащиты конкретного объекта, требуют применения специализированного программного обеспечения для расчета систем молниезащиты. Скорее всего, программное обеспечение должно будет опираться на теорию вероятности, современную теорию графов (для расчета стохастического продвижения и влияния на объект нисходящего лидера молнии, а также для расчета конкурирующего развития восходящих лидеров с молниеприемника и частей объекта) и теорию устойчивости электрических систем (основной критерий устойчивости – зарождение восходящего лидера от молниеприемника).

Новый ГОСТ должен содержать основные требования к программному обеспечению, алгоритм расчета и типовые формулы. В связи с тем, что указанные сведения должны быть проверяемыми и тестируемыми, в состав нового ГОСТ должен быть включен набор тестовых задач. Созданное на основе утвержденных алгоритмов и формул программное обеспечение, при любом интерфейсе пользователя, должно решать тестовые задачи.

Безусловно, нельзя не учитывать опыт зарубежных разработчиков аналогичного программного обеспечения (Sparkta, 3D Lightning, SESShield, разработки фирмы DEHN и другие).

Очевидно, что результаты программных расчетов и, как итог, проект системы молниезащиты, должны соответствовать утвержденным нормам. Следовательно, разработка и применение программного обеспечения также должно опираться на утвержденные нормативы.

В настоящее время существует парадокс: рекомендованное техническим циркуляром ассоциации «Росэлектромонтаж» № 25-2009 «Об использовании специализированного программного обеспечения для расчета эффективности защитного действия молниеотводов» программное обеспечение ОАО «ЭНИН» разработано на основе устаревших, но действующих нормативов РД 34.21.122-87 и СО 153-34.21.122-2003.

Как следствие, все замечания российских ученых по размерам и формам зон защиты молниеприемников, конфигурациям систем молниезащитного заземления, определенным в устаревших нормативах, автоматически распространяются на аналогичные программные продукты, представленные на Российском рынке (Сервис расчетов центра ZANDZ.com, программа ЗУМ, программа MZ, Model Studio CS Молниезащита, и другие).

Все вышеизложенное приводит к весьма неутешительному выводу о несоответствии применяемого программного обеспечения современным достижениям науки о молнии и молниезащите.

Необходимость введения нового ГОСТ по молниезащите и внесения корректировок в существующие виды программного обеспечения очевидна. По существу, программное обеспечение являет собой прикладной инструмент, позволяющий проектировщику сократить сроки расчета проекта молниезащиты для конкретного объекта. Использование программного обеспечения для проектирования, в свою очередь, не должно исключать устоявшейся практики использования зон защиты молниеприемников. Более того, программное обеспечение должно предоставлять проектировщику возможность как 2D, так и 3D-визуализации результатов расчета. Применение зон защиты молниеприемников – удобный инструмент пространственной визуализации защищенных зон для проектировщика и заказчика.

Кроме того, использование зон защиты вполне применимо как для предварительной оценки систем молниезащиты любых объектов, так и для проектирования систем молниезащиты объектов, не обладающих сложной структурой.

Выводы:

Ежегодно повторяющиеся случаи пожаров и смертности от удара молнии свидетельствуют о необходимости широкого применения эффективных и недорогих систем молниезащиты.

Существующие нормативы по молниезащите не соответствуют современному уровню развития науки о молнии и молниезащите.

Разработка и введение ГОСТ по молниезащите, включающего все современные достижения науки о природе молнии и способах молниезащиты – насущная необходимость.

Существующее программное обеспечение по расчету систем молниезащиты и заземления требует переработки.


Литература:

    1. Базелян Э., Райзер Ю. Искровой разряд. М.: МФТИ, 1997. 320 с.

    2. Андреев В. и др. Перенапряжения и молниезащита. Новосибирск: НГАВТ, 2005. 251 с.

    3. Стекольников И. Физика молнии и грозозащита. М.: Изд-во АН СССР, 1943. 235 с.

    4. Базелян Э., Райзер Ю. Физика молнии и молниезащиты. М.: Физматлит, 2001. C. 136–137.

    5. Базелян Э. «Вопросы практической молниезащиты» М.: Буки Веди, 2015. 208 с.

    6. Александров Н., и др. Проблема активного и пассивного воздействия на молнию // XXX Звенигородская конференция по физике плазмы и УТС. 2003.

    7. Becerra M. Corona discharges and their effect on lightning attachment revisited: Upward leader initiation and downward leader interception // Journal Atmospheric Research, № 149, 2014, рр. 316.

    8. Aleksandrov N. et al Dependence of lightning rod efficacy on its geometric dimensions – a computer simulation // J. Phys. D: Appl. Phys. 38, 2005, p. 1237.

    9. Темников А. Исследование механизмов формирования совместно развивающихся восходящих лидеров как стадии поражения молнией наземных объектов // Электроэнергетика. 2015. C. 62.

    10. Ahmad N. Investigation on the Breakdown Characteristics of Different Types of Lightning Rods // J. Elektrika. 2018. 17(2). p. 5.

    11. Haris H.C.M. et al Selection of suitable features of lightning rods for secure lightning protection // e-ISSN: 2289-8131 Vol. 10 No. 1-9, p. 47.

    12. Князев В. и др. Сравнение характеристик эталонных образцов стержневых молниеприемников. Харьков: НТУ «ХПИ», 2012. № 52 (958). С. 89.

    13. Чернухин А. Влияние параметров коронного разряда на эффетивность элементов систем молниезащиты // Електротехніка і Електромеханіка. 2017. № 3. С. 47–56.

    14. Базелян Э. «Нормирование молниезащиты в России. Основные проблемы и пути совершенствования» доклад III Российской конференции по молниезащите, СПб., 2012. С. 372–383.

    15. Базелян Э. и др. Испытания зон защиты типовых молниеотводов методом имитационного физического моделирования: доклад III Российской конференции по молниезащите. СПб., 2012. С. 384–398.

    16. Базелян Э. Проблемы нормирования молниезащиты в России. СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2016. С. 44–56.

    17. Куприенко В., Шишигин С. Состояние и перспективы совершенствования норм по проектированию современных средств молниезащиты зданий и сооружений. СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2016. С. 194–197.

    18. Шишигин С. Предложения по совершенствованию стандартов молниезащиты, заземления, ЭМС // Доклады 5-й Российской конференции по молниезащите. СПб., 2016. С. 363–366.

    19. Гайворонский А., Голдобин В. Оценка эффективности зон защиты молниеотводов по результатам численных экспериментов на модели ориентировки лидера молнии. СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2018. С. 39–45.

    20. Александров Г. Молния и молниезащита. М.: Наука, 2008. 276 с.

    21. Мещеряков В. Совершенствование методов расчета электростатических полей в задачах ориентировки молнии: доклад на II Всероссийской конференции «Технологии, измерения и испытания в области электромагнитной совместимости». 2017. С. 29–31.

    22. Шишигин С., Мещеряков В. Ориентировка молнии и молниезащита по Г.Н. Александрову // Сборник материалов 4-й Международной конференция по молниезащите конференции. СПб, 2014. С. 34–41.

    23. Шишигин С., Мещеряков В. Расчет площади стягивания молнии по наведенному заряду наземного объекта // Доклады 5-й Российской конференции по молниезащите. СПб., 2016. С. 373–380.

    24. Темников А. и др. Исследование механизмов формирования совместно развивающихся восходящих лидеров как стадии поражения молнией наземных объектов // Электроэнергетика. 2015. С. 58–64.

 

Bottom Logo

Портал ЭлеЭкспо – это информационное интернет-издание в области электротехники, электроэнергетики и автоматизации.

Основная задача Портала — это оперативное информирование о новинках, которые были или только будут представлены на крупнейших российских и зарубежных электротехнических выставках.

Follow Us:

Контакты:
  • Телефон, e-mail:

    +7 921 7871 350, Этот адрес электронной почты защищён от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра.

Bottom Logo