Категории надежности молниезащиты.. Параметры тока молнии.. Расчетные оценки целесообразности молниезащиты.. Частота ударов молнии.. СО-153-34.21.122-2003.. Стандарт МЭК 62305-2-2010.. Оценка риска по методике МЭК.. Расчетные кривые распределения параметров молнии.. Вероятность превышения опасного тока молнии.. Пример оценки необходимости молниезащиты.. Программное обеспечение DEHNsupport для оценки рисков..
Прежде чем приступать к проектированию молниезащиты, нелишне узнать, насколько она реально необходима. Действительно, не зная степени риска, трудно понять, стоит ли вкладывать деньги в устройство молниеотводов или в расстановку в электрических цепях средств ограничения перенапряжений. Обращение к отечественным нормативам по молниезащите здесь мало помогает. Почему? Давайте разбираться.
Почему возникают трудности?
В «Инструкции по устройству молниезащиты зданий и сооружений» РД 34.21.122-87 оперируют тремя категориями защиты, не поясняя, о какой надежности идет речь в каждой из них. Более новый норматив «Инструкция по устройству молниезащиты зданий, сооружений и промышленных коммуникаций» СО-153-34.21.122-2003 вместо категорий нормирует 4 уровня защиты. Здесь уже указана обеспечиваемая надежность защиты от прямых ударов молнии, начиная от 0,98 (для I уровня), заканчивая 0,8 (для IV уровня). У многих проектировщиков, особенно начинающих, возникают определенные трудности при оценке рисков и выборе уровня надежности защиты от молнии (если эти параметры не прописаны в технических требованиях). Действительно, не зная степени риска, трудно понять, каковы должны быть параметры молниезащиты. Другими словами, от чего нужно защищать объект: от прямых попаданий молнии или от ее вторичных проявлений? А может быть необходима комплексная молниезащита?
Проблема усложняется еще и тем, что степень повреждения объекта сильно зависит от параметров тока молнии, в первую очередь от амплитуды импульса и от крутизны его фронта. Об этом также говорится в разделах 2.3.2–2.3.4 Инструкции СО-153-34.21.122-2003, где для каждого уровня защиты указаны предельные значения этих параметров. Однако проектировщику от этого не легче, так как важно знать не только нормированные параметры, но и вероятность их превышения разрядами молнии на территории защищаемого объекта.
Расчетные оценки
В идеале схема расчетных оценок может быть следующей:
Сначала вычисляется частота ударов молнии с учетом и без учета защитного действия спроектированных молниеотводов. Затем, исходя из конструкции объекта, его размеров, технологических функций и структуры электрических цепей, определяются параметры тока молнии, способные вызвать недопустимые повреждения.
Оценка такого рода должна выполняться отдельно для разрядов молнии, перехваченных молниеотводами, и для разрядов, прорвавшихся мимо молниеотводов непосредственно к объекту, потому что эти ситуации могут сильно отличаться по опасности воздействия.
Когда опасные токи известны или определены, остается определить вероятность их появления в канале молнии. Решение этой ключевой проблемы связано с исключительно большими трудностями. Теория молнии способна более или менее достоверно описать физические процессы ее развития, но бессильна, когда требуется предсказать параметры молниевого тока в конкретных условиях. Слишком много внешних факторов пришлось бы для этого учитывать.
Сегодня специалисты не сомневаются, что ток молнии зависит от электрического заряда грозового облака и его полярности, высоты грозовой ячейки над поверхностью земли, траектории канала, числа одновременно формирующихся ответвлений, высоты пораженного объекта. Список можно было бы продолжить, но даже перечисленное невозможно учесть в теории. Остается рассчитывать только на измерения, которых до обидного мало.
Почти 100 лет современных наблюдений за молнией не принесли и тысячи полноценных прямых осциллографических записей тока. Достоверной статистики они не обеспечивают. Трудно дифференцировать записи тока молнии для объектов различной высоты или для ударов, перехваченных молниеотводом либо прорвавшихся мимо него в зону защиты. Не хватает фактических данных для построения статистических распределений в различных регионах земного шара, скажем, в тропиках, средней полосе или приполярных районах.
Перспективными могут быть дистанционные методы, в которых параметры тока молнии синтезируются по регистрациям магнитного поля в дальней зоне. Однако их погрешность, к сожалению, слишком велика, поэтому приходится идти на вынужденное упрощение и усреднение статистики, что существенно снижает ее достоверность.
Оценка риска по методике МЭК
В стандарте МЭК 62305-2-2010 «Защита от молнии. Часть 2. Оценка риска» приводятся данные для комплексного анализа риска объекта в результате воздействия прямых ударов молнии и электромагнитных наводок. Во внимание принимаются такие факторы, как угроза человеческой жизни, угроза нарушения работы инженерных систем, потери культурных и материальных ценностей. Пример расчета рисков по рекомендациям стандарта и необходимость внедрения тех или иных мер защиты от молнии был приведен мною в статье «Оценка необходимости молниезащиты по МЭК 62305-2-2010».
Несмотря на достаточно четкие указания, приведенные в этом стандарте, решение подобной задачи является весьма трудоемким, так как проектировщику приходится оперировать весьма большим количеством данных.
Сегодня Международная электротехническая комиссия (МЭК) использует обобщенную независимо от географических координат местности статистику токов молнии, собранную и обработанную СИГРЭ (Международным советом по большим электрическим системам высокого напряжения). Для приближенного описания практически всех параметров молнии использован логнормальный закон:
где P(Y) – вероятность превышения рассматриваемым параметром молнии заданного значения Y;
σlg и (lgY)ср – соответственно стандарт распределения и среднее значение логарифмов этого параметра, которые и определяют характер распределения.
Каждое из распределений представляется в виде прямой линии. Исключение сделано только для распределения амплитуд тока первых компонентов отрицательной молнии, которое для повышения точности интерполяции представлено двумя прямолинейными отрезками.
На рис. 1 показано, как приблизительно выглядит распределение амплитуд тока и длительностей фронтов его импульсов для компонентов молний. Амплитуды тока выражены в килоамперах, временные параметры – в микросекундах. Предполагается, что между этими параметрами нет корреляции и они могут рассматриваться как статистически независимые величины.
Рис. 1.
Здесь приведены расчетные кривые параметров для первых компонентов отрицательных (1) и положительных (2) молний, а также для последующих компонентов (3).
Распределение амплитуд тока молнии – красные кривые.
Распределение длительностей фронтов импульсов тока молнии – синие кривые.
Пользоваться расчетными кривыми совсем несложно. Рассмотрим несколько примеров.
Пример 1.
Положим, оценка показала, что ожидаемое число ударов молнии в защищаемый объект Nмол = 0,1 удара в год (порядок расчета заслуживает отдельного рассмотрения), а по условиям растекания опасным считается ток молнии амплитудой 50 кА. Оценим вероятность его появления для первых компонентов, наибольших по амплитуде.
По красным кривым 1 и 2 вероятность превышения опасного тока у отрицательных молний близка к 18%, а у положительных – примерно 33%. Поскольку доля положительных молний в Европе принимается равной 10%, суммарное значение искомой вероятности определяется как PI = 0,18 х 0,9 + 0,33 х 0,1≈ 0,2.
Исходя из этого частота опасного воздействия молнии: Nоп = Nмол х PI = 0,1 х 0,2 = 0,02 удара в год, что приблизительно соответствует 1 удару молнии за 50 лет эксплуатации объекта.
Пример 2.
Допустим, для расчета электромагнитных наводок надо определить частоту появления импульсов тока первого компонента, которые при амплитуде свыше 50 кА характеризуются длительностью фронта меньше 2 мкс. Для отрицательных молний (синие кривые) приблизительно 92% имеют более длинный фронт и, следовательно, вероятность импульса с фронтом короче 2 мкс оценивается здесь как Pф = 1 – 0,92 = 0,08 (синяя кривая 1). Аналогичная оценка для положительных молний дает практически такую же величину Pф = 1 – 0,92 = 0,08 (синяя кривая 2).
Таким образом, вероятность молнии, ток которой больше 50 кА, а фронт меньше 2 мкс, составляет P = PI х Pф ≈ 0,2 x 0,08= 0,016. Их ежегодно ожидаемое число составит Nоп = Nмол х P = 0,1 х 0,016 = 0,0016, то есть приблизительно один удар за 1 : 0,0016 ≈ 625 лет.
В стандарте ГОСТ Р МЭК 62305-1-2010. Защита от молнии. Часть 1. Общие принципы представлены значения стандартов распределения и средних значений логарифма для всех практически значимых параметров молнии (таблицы А.1 и А.2), а для большинства из них построены и кривые распределения (рис. 5). С их помощью легко определить, насколько часты не просто удары молнии, а удары, опасные для защищаемого объекта.
Программа DEHNsupport для оценки рисков
Для облегчения расчета немецкая компания DEHN + SÖHNE – один из лидеров в области комплексной защиты от воздействия разрядов молний – предлагает специализированное программное обеспечение DEHNsupport.
Программа позволяет легко и быстро оценить риск поражения молнией объекта, а также находящихся в нем людей и установленного оборудования. Для этого проектировщику достаточно ввести информацию о здании (размеры, расположение относительно других сооружений, наличие или отсутствие системы внешней молниезащиты), характеристики входящих линий и коммуникаций и выбрать факторы риска, которые должны приниматься во внимание в данном случае. Всё остальное берет на себя компьютер.
В результате на экране монитора отображаются численные значения риска для различных составляющих и его суммарная величина. Выбирая различные мероприятия в области молниезащиты, можно добиться того, чтобы суммарный риск был меньше допустимого для данного сооружения.
Программа отличается удобным интерфейсом, функциональностью и существенно сокращает время, нужное проектировщику для того, чтобы принять решение о необходимости применения системы защиты объекта от молний.
Программное обеспечение DEHNsupport Toolbox может быть заказано и получено от компании DEHN + SÖHNE.
Подробная техническая информация, форма заказа и демоверсия программы, а также руководство по установке и монтажу молниезащиты, каталоги и печатные материалы по продукции DEHN+SÖHNE можно получить в представительстве компании в России на www.dehn-ru.com.
Источники:
1. ГОСТ Р МЭК 62305-2-2010. Защита от молнии. Часть 2. Оценка риска
2. ГОСТ Р МЭК 62305-1-2010. Защита от молний. Часть 1. Общие принципы
3. Оценка необходимости молниезащиты по МЭК 62305-2-2010
4. Эдуард Базелян. Практика молниезащиты. Оценка целесообразности защиты от воздействия молнии.
Если статья Вам понравилась и Вы цените вложенные в этот проект усилия – у Вас теперь есть возможность внести посильный вклад в развитие сайта на странице «Поддержка проекта».
Внимание!
Всех интересующихся практической электротехникой приглашаю на страницы своего нового сайта «Электрика для дома». Он посвящен основам электротехники и электричества с акцентом на домашние электрические установки и процессы, в них происходящие.
Прежде чем приступать к проектированию молниезащиты, нелишне узнать, насколько она реально необходима. Действительно, не зная степени риска, трудно понять, стоит ли вкладывать деньги в устройство молниеотводов или в расстановку в электрических цепях средств ограничения перенапряжений. Обращение к отечественным нормативам по молниезащите здесь мало помогает. Почему? Давайте разбираться.Почему возникают трудности?
В «Инструкции по устройству молниезащиты зданий и сооружений» РД 34.21.122-87 оперируют тремя категориями защиты, не поясняя, о какой надежности идет речь в каждой из них. Более новый норматив «Инструкция по устройству молниезащиты зданий, сооружений и промышленных коммуникаций» СО-153-34.21.122-2003 вместо категорий нормирует 4 уровня защиты. Здесь уже указана обеспечиваемая надежность защиты от прямых ударов молнии, начиная от 0,98 (для I уровня), заканчивая 0,8 (для IV уровня). У многих проектировщиков, особенно начинающих, возникают определенные трудности при оценке рисков и выборе уровня надежности защиты от молнии (если эти параметры не прописаны в технических требованиях). Действительно, не зная степени риска, трудно понять, каковы должны быть параметры молниезащиты. Другими словами, от чего нужно защищать объект: от прямых попаданий молнии или от ее вторичных проявлений? А может быть необходима комплексная молниезащита?
Проблема усложняется еще и тем, что степень повреждения объекта сильно зависит от параметров тока молнии, в первую очередь от амплитуды импульса и от крутизны его фронта. Об этом также говорится в разделах 2.3.2–2.3.4 Инструкции СО-153-34.21.122-2003, где для каждого уровня защиты указаны предельные значения этих параметров. Однако проектировщику от этого не легче, так как важно знать не только нормированные параметры, но и вероятность их превышения разрядами молнии на территории защищаемого объекта.
Расчетные оценки
В идеале схема расчетных оценок может быть следующей:
Сначала вычисляется частота ударов молнии с учетом и без учета защитного действия спроектированных молниеотводов. Затем, исходя из конструкции объекта, его размеров, технологических функций и структуры электрических цепей, определяются параметры тока молнии, способные вызвать недопустимые повреждения.
Оценка такого рода должна выполняться отдельно для разрядов молнии, перехваченных молниеотводами, и для разрядов, прорвавшихся мимо молниеотводов непосредственно к объекту, потому что эти ситуации могут сильно отличаться по опасности воздействия.
Когда опасные токи известны или определены, остается определить вероятность их появления в канале молнии. Решение этой ключевой проблемы связано с исключительно большими трудностями. Теория молнии способна более или менее достоверно описать физические процессы ее развития, но бессильна, когда требуется предсказать параметры молниевого тока в конкретных условиях. Слишком много внешних факторов пришлось бы для этого учитывать.
Сегодня специалисты не сомневаются, что ток молнии зависит от электрического заряда грозового облака и его полярности, высоты грозовой ячейки над поверхностью земли, траектории канала, числа одновременно формирующихся ответвлений, высоты пораженного объекта. Список можно было бы продолжить, но даже перечисленное невозможно учесть в теории. Остается рассчитывать только на измерения, которых до обидного мало.
Почти 100 лет современных наблюдений за молнией не принесли и тысячи полноценных прямых осциллографических записей тока. Достоверной статистики они не обеспечивают. Трудно дифференцировать записи тока молнии для объектов различной высоты или для ударов, перехваченных молниеотводом либо прорвавшихся мимо него в зону защиты. Не хватает фактических данных для построения статистических распределений в различных регионах земного шара, скажем, в тропиках, средней полосе или приполярных районах.
Перспективными могут быть дистанционные методы, в которых параметры тока молнии синтезируются по регистрациям магнитного поля в дальней зоне. Однако их погрешность, к сожалению, слишком велика, поэтому приходится идти на вынужденное упрощение и усреднение статистики, что существенно снижает ее достоверность.
Оценка риска по методике МЭК
В стандарте МЭК 62305-2-2010 «Защита от молнии. Часть 2. Оценка риска» приводятся данные для комплексного анализа риска объекта в результате воздействия прямых ударов молнии и электромагнитных наводок. Во внимание принимаются такие факторы, как угроза человеческой жизни, угроза нарушения работы инженерных систем, потери культурных и материальных ценностей. Пример расчета рисков по рекомендациям стандарта и необходимость внедрения тех или иных мер защиты от молнии был приведен мною в статье «Оценка необходимости молниезащиты по МЭК 62305-2-2010».
Несмотря на достаточно четкие указания, приведенные в этом стандарте, решение подобной задачи является весьма трудоемким, так как проектировщику приходится оперировать весьма большим количеством данных.
Сегодня Международная электротехническая комиссия (МЭК) использует обобщенную независимо от географических координат местности статистику токов молнии, собранную и обработанную СИГРЭ (Международным советом по большим электрическим системам высокого напряжения). Для приближенного описания практически всех параметров молнии использован логнормальный закон:
где P(Y) – вероятность превышения рассматриваемым параметром молнии заданного значения Y;
σlg и (lgY)ср – соответственно стандарт распределения и среднее значение логарифмов этого параметра, которые и определяют характер распределения.
Каждое из распределений представляется в виде прямой линии. Исключение сделано только для распределения амплитуд тока первых компонентов отрицательной молнии, которое для повышения точности интерполяции представлено двумя прямолинейными отрезками.
На рис. 1 показано, как приблизительно выглядит распределение амплитуд тока и длительностей фронтов его импульсов для компонентов молний. Амплитуды тока выражены в килоамперах, временные параметры – в микросекундах. Предполагается, что между этими параметрами нет корреляции и они могут рассматриваться как статистически независимые величины.
Рис. 1.Здесь приведены расчетные кривые параметров для первых компонентов отрицательных (1) и положительных (2) молний, а также для последующих компонентов (3).
Распределение амплитуд тока молнии – красные кривые.
Распределение длительностей фронтов импульсов тока молнии – синие кривые.
Пользоваться расчетными кривыми совсем несложно. Рассмотрим несколько примеров.
Пример 1.
Положим, оценка показала, что ожидаемое число ударов молнии в защищаемый объект Nмол = 0,1 удара в год (порядок расчета заслуживает отдельного рассмотрения), а по условиям растекания опасным считается ток молнии амплитудой 50 кА. Оценим вероятность его появления для первых компонентов, наибольших по амплитуде.
По красным кривым 1 и 2 вероятность превышения опасного тока у отрицательных молний близка к 18%, а у положительных – примерно 33%. Поскольку доля положительных молний в Европе принимается равной 10%, суммарное значение искомой вероятности определяется как PI = 0,18 х 0,9 + 0,33 х 0,1≈ 0,2.
Исходя из этого частота опасного воздействия молнии: Nоп = Nмол х PI = 0,1 х 0,2 = 0,02 удара в год, что приблизительно соответствует 1 удару молнии за 50 лет эксплуатации объекта.
Пример 2.
Допустим, для расчета электромагнитных наводок надо определить частоту появления импульсов тока первого компонента, которые при амплитуде свыше 50 кА характеризуются длительностью фронта меньше 2 мкс. Для отрицательных молний (синие кривые) приблизительно 92% имеют более длинный фронт и, следовательно, вероятность импульса с фронтом короче 2 мкс оценивается здесь как Pф = 1 – 0,92 = 0,08 (синяя кривая 1). Аналогичная оценка для положительных молний дает практически такую же величину Pф = 1 – 0,92 = 0,08 (синяя кривая 2).
Таким образом, вероятность молнии, ток которой больше 50 кА, а фронт меньше 2 мкс, составляет P = PI х Pф ≈ 0,2 x 0,08= 0,016. Их ежегодно ожидаемое число составит Nоп = Nмол х P = 0,1 х 0,016 = 0,0016, то есть приблизительно один удар за 1 : 0,0016 ≈ 625 лет.
В стандарте ГОСТ Р МЭК 62305-1-2010. Защита от молнии. Часть 1. Общие принципы представлены значения стандартов распределения и средних значений логарифма для всех практически значимых параметров молнии (таблицы А.1 и А.2), а для большинства из них построены и кривые распределения (рис. 5). С их помощью легко определить, насколько часты не просто удары молнии, а удары, опасные для защищаемого объекта.
Программа DEHNsupport для оценки рисков
Для облегчения расчета немецкая компания DEHN + SÖHNE – один из лидеров в области комплексной защиты от воздействия разрядов молний – предлагает специализированное программное обеспечение DEHNsupport.
Программа позволяет легко и быстро оценить риск поражения молнией объекта, а также находящихся в нем людей и установленного оборудования. Для этого проектировщику достаточно ввести информацию о здании (размеры, расположение относительно других сооружений, наличие или отсутствие системы внешней молниезащиты), характеристики входящих линий и коммуникаций и выбрать факторы риска, которые должны приниматься во внимание в данном случае. Всё остальное берет на себя компьютер.
В результате на экране монитора отображаются численные значения риска для различных составляющих и его суммарная величина. Выбирая различные мероприятия в области молниезащиты, можно добиться того, чтобы суммарный риск был меньше допустимого для данного сооружения.
Программа отличается удобным интерфейсом, функциональностью и существенно сокращает время, нужное проектировщику для того, чтобы принять решение о необходимости применения системы защиты объекта от молний.
Программное обеспечение DEHNsupport Toolbox может быть заказано и получено от компании DEHN + SÖHNE.
Подробная техническая информация, форма заказа и демоверсия программы, а также руководство по установке и монтажу молниезащиты, каталоги и печатные материалы по продукции DEHN+SÖHNE можно получить в представительстве компании в России на www.dehn-ru.com.
Источники:
1. ГОСТ Р МЭК 62305-2-2010. Защита от молнии. Часть 2. Оценка риска
2. ГОСТ Р МЭК 62305-1-2010. Защита от молний. Часть 1. Общие принципы
3. Оценка необходимости молниезащиты по МЭК 62305-2-2010
4. Эдуард Базелян. Практика молниезащиты. Оценка целесообразности защиты от воздействия молнии.
Если статья Вам понравилась и Вы цените вложенные в этот проект усилия – у Вас теперь есть возможность внести посильный вклад в развитие сайта на странице «Поддержка проекта».
Внимание!
Всех интересующихся практической электротехникой приглашаю на страницы своего нового сайта «Электрика для дома». Он посвящен основам электротехники и электричества с акцентом на домашние электрические установки и процессы, в них происходящие.
Комментариев нет:
Отправить комментарий