Лекция 33. МОЛНИЕЗАЩИТА. ЗАЩИТА ОТ СТАТИЧЕСКОГО ЭЛЕКТРИЧЕСТВА

Молния представляет собой электрический разряд длиной до нескольких километров, развивающийся между разноименно заряженными облаками или облаком и землей, деревьями, зданиями, другими наземными объектами.

При разряде на землю, происходящем в среднем за 0,2 с (редко до 1,0-1,5 с) по каналу молнии протекает ток от единиц до 200 кА. При этом происходит интенсивный разогрев канала (иногда до 20 000–35 000° С) и его ударное расширение, воспринимаемое на слух, как раскат грома.

Разряды молний представляют собой высокую электро-, пожаро- и взрывоопасность. Прямые удары молний вызывают разрушение конструкций, в том числе деревянных, бетонных, кирпичных (за счет мгновенного нагрева и испарения материала в канале разряда), могут вызвать электрическое поражение людей и животных, отказ систем пожарной автоматики, потерю средств связи, сбой работы компьютерных сетей с потерей данных, способны проплавить металлическую сетку толщиной 4–5 мм, тонкие листы металла, оболочки взрывоопасных емкостей с топливом, газом и т.п., вызывая их взрывы. Молнии могут также воспламенить взрывоопасную смесь газов и паров около заливных горловин, дыхательных клапанов, отверстий этих емкостей. Поэтому пространства вокруг этих устройств в радиусе 5 м также подлежат защите.

Кроме прямого удара молнии, представляет опасность занос высокого потенциала в рабочую зону по надземным и подземным протяженным коммуникациям (рельсам, трубопроводам воды и пара, воздуховодам, оболочкам электрических кабелей, воздушным проводам) как при прямом ударе в них молнии, так и при ударе в рядом находящиеся сооружения, а также в устройства молниезащиты, если они расположены на близком расстоянии.

Для защиты от этого все протяженные коммуникации на вводе в здание присоединяют к заземлителю. От заноса высокого потенциала по проводам (электропередачи, сетей телефона, радио, сигнализации и т.п.) ввод в здание этих сетей осуществляют только кабелями длиной не менее 50 м с металлической броней или оболочкой или проложенных в металлических трубах. На вводе в здание и в месте перехода воздушной линии в кабель эту броню, оболочку, трубу присоединяют к заземлителю. К заземлителю также следует присоединить штыри и крючья изоляторов на опоре воздушной линии электропередачи, где воздушная сеть переходит в кабель.

Опасно вторичное проявление молнии в виде наведения потенциала на протяженных металлических предметах (трубопроводах, электрических проводах, оболочках и т.п.) от переменного магнитного поля, создаваемого в пространстве разрядом молнии. Этот потенциал способен вызвать мощное искрение в разрывах конструкций, в плохих электрических контактах (болтовые соединения, фланцы и т.п.) и в местах сближения различных протяженных металлических конструкций. Поэтому в зданиях в местах сближения этих конструкций на расстояние менее 10 см их сваривают между собой перемычками из стальной проволоки диаметром не менее 5 мм или стальной полосы сечением не менее 24 мм2.

Основные требования но устройству молниезащиты изложены в "Инструкции по устройству молниезащиты зданий и сооружений. РД 34.21.122-87", утвержденной Минэнерго СССР 12.10.1987 и в приказе Минэнерго России от 30.06.2003 № 280 "Об утверждении Инструкции по устройству молниезащиты зданий, сооружений и промышленных коммуникаций".

Молнии с большей вероятностью поражают объекты, более высокие и хорошо заземленные по сравнению с рядом расположенными низкими строениями. Поэтому молниеотвод, возвышающийся над защищаемым объектом, перехватывает на себя молнии, тем самым не допуская их попадания в рядом расположенные более низкие объекты. Чем выше молниеприемник, тем больше зона защиты (пространство, внутри которого здание или сооружение с определенной степенью надежности защищено от прямых ударов молнии).

Зоны защиты и вероятность прорыва в них молнии поддаются расчетам. На одном и том же молниеотводе может быть рассчитано множество зон защиты, каждая из которых будет обладать своей надежностью.

Инструкция предлагает расчетные формулы зон защиты для проектирования молниезащиты с надежностью защиты 0,9, 0,99, 0,999 или соответственно 90, 99, 99,9%. Вероятность прорыва молнии в эти зоны защиты составит соответственно 1 из 10 ударов молнии; 1 из 100 и 1 из 1000.

С увеличением высоты установки молниеприемника увеличивается его зона защиты, и защищаемый объект из зоны с надежностью защиты, например, Рз = 0,9 может перейти в зону с надежностью Рз = 0,99 и выше.

При одной и той же высоте молниеприемника, чем больше будет принята надежность защиты Р3, тем меньше будет ее зона защиты: уменьшается высота конуса защиты и уменьшается радиус защиты на уровне земли (рис. 33.1).

Защиту от прямых ударов молний осуществляют с помощью молниеотводов, принимающих на себя разряд и отводящих ток разряда в землю. Молниеотвод состоит из молниеприемника 1, токоотвода 2, опоры 4 и заземлителя 3 (рис. 33.1).

Молниеприемники могут быть стержневыми, тросовыми и сетчатыми. Стержневой молниеприемник выполняют в виде вертикальных металлических отрезков стали любого профиля (круг, уголок, труба, швеллер и др.) сечением не менее 100 мм2 и длиной не менее 200 мм, защищенных от коррозии любым способом (окраска, оцинковка, лужение).

Тросовый молниеприемник (рис. 33.2) выполняют в виде горизонтально натянутого на двух опорах многопроволочного каната сечением не менее 35 мм2, присоединенного к заземлителю у каждой опоры.

Сетчатый молниеприемник (рис. 33.3) выполняют в виде сетки, сваренной из металла различного профиля с размером ячеек от 5 до 20 м в зависимости от уровня принятой защиты и уложенной на неметаллическую крышу. Узлы сетки проваривают.

В качестве молниеприемников применяют также металлические кровли крыши.

На защищаемом объекте могут быть установлены один или несколько молниеприемников. В связи с этим их подразделяют на одиночные, двойные и многостержневые.

По расположению к защищаемому объекту молниеотводы подразделяют на:

1) стоящие отдельно от него и обеспечивающие растекание тока молнии, минуя объект (это исключает возможность термического воздействия на объект при ударе молнии, что особенно важно для пожаровзрывоопасных объектов):

2) установленные на самом объекте (на кровле, стене);

3) представляющие с объектом одно целое, когда конструкция какой-либо высокой металлической фермы или мачты, установленной на железобетонном фундаменте, объединяет в себе сразу молниеприемник, токоотвод, опору и заземляющее устройство.

Опоры стержневых и тросовых молниеотводов как отдельно стоящих, так и устанавливаемых на защищаемом объекте, могут быть деревянными, металлическими и железобетонными.

От каждого стержневого молниеприемника или от каждой стойки тросового молниеприемника должно быть выполнено не менее одного токоотвода. Если на объекте установлено несколько стержневых молниеприемников, то их полезно соединить между собой на сварке стальной проволокой диаметром не менее 6 мм.

В качестве заземлителей применяют все заземлители электроустановок, выполненные согласно ПУЭ, а также железобетонные конструкции и искусственные заземлители. Также используют железобетонные фундаменты зданий произвольной формы с достаточной площадью контакта с землей.

Проектирование и монтаж устройств молниезащиты ведут организации, имеющие соответствующую лицензию.

Во всех организациях рекомендуется иметь комплект эксплуатационно-технической документации молниезащиты объектов (для которых необходимо устройство молниезащиты), включающий: пояснительную записку, схемы зон защиты молниеотводов; рабочие чертежи конструкций молниеотводов; приемочную документацию

Молниезащитные устройства объектов, законченных строительством (реконструкцией), принимают в эксплуатацию рабочей комиссией и передают в эксплуатацию заказчику до начала загрузки в здания и сооружения оборудования и оформляют это актами.

Рис. 33.1. Схема молниезащиты стержневого молниеотвода:

1 – молниеприемный стержень; 2 – токоотвод; 3 – заземляющее устройство; 4 – опора молниеотвода; 5 – хомуты крепления токоотвода; h – высота молниеотвода; h0 – высота конуса защиты при надежностях защиты Рз = 0,9; Рз = 0,99; Рз – 0,999; Рз – конус защиты с надежностью 0,9; 0,99; 0,999; I – объект, полностью вписывающийся в зону защиты Рз = 0,999 как в плане, так и по вертикали; II – объект, полностью защищенный зоной защиты с Рз = 0,9 (основание объекта на уровне земли вписывается в зону Рз = 0,999, но по вертикали этот объект выходит даже из зоны с уровнем защиты Рз = 0,99; III – объект полностью не вписывается по вертикали ни в одну зону защиты

Рис. 33.2. Тросовый молниеприемник:

1 – трос; 2 – токоотвод; 3 – заземляющее устройство; 4 – опора; 5 – защищаемый объект; 6 – зона молниезащиты; 7 – зона защиты на высоте hx; 8 – зона защиты на уровне земли; hx – высота защищаемого объекта; r0 – радиус защиты на уровне земли; rх – радиус защиты на уровне высоты защищаемого объекта

После приемки в эксплуатацию устройств молниезащиты составляют паспорта молниезащитных устройств и паспорта заземлителей устройств молниезащиты, которые хранят у ответственного за электрохозяйство.

Проверку и осмотр всех устройств молниезащиты проводят перед началом каждого грозового сезона и после внесения в нее каких-либо изменений. Результаты проверок оформляют актами, заносят в паспорта и журнал учета состояния устройств молниезащиты. На основании полученных данных составляют план устранения выявленных дефектов.

Рис. 33.3. Сетчатый молниеприемник:

1 – молниеприемная сетка; 2 – токоотводы; 3 – заземляющее устройство (горизонтально уложенный электрод)

Защита от статического электричества

При трении (соприкосновении и разделении) разнородных материалов (диэлектриков один о другой или о металлы) на самих материалах и на корпусах оборудования накапливаются электрические заряды, достигающие в некоторых случаях десятков киловольт. Это часто наблюдается при наливе нефтепродуктов в емкости (особенно с разбрызгиванием и ударом о стенки), их транспортировке и сливе, обработке зерна, дроблении сухих кормов, в воздуховодах вентиляционных установок, истечении сжатых газов через отверстия при наличии в них примесей и продуктов конденсации, обработке пластмасс, работе ременных передач, транспортеров с пробуксовкой и в других случаях.

Искровые разряды статического электричества представляют собой большую пожаро- и взрывоопасность. Их энергии (она может достигать 1400 мДж) вполне достаточно для воспламенения паро-, пыле-, газовоздушных смесей большинства веществ (например, для ацетона достаточно 0,25 мДж, аэрозолей угля – 40, древесной муки – 20 и т.д.).

Защиту от статического электричества осуществляют в основном отводом зарядов в землю, уменьшением их образования и нейтрализацией.

Для отвода статического электричества корпуса оборудования, наземные резервуары ЛВЖ и ГЖ, механизмы и оборудование насосных станций нефтебаз, металлические конструкции автоналивных устройств и т.п. заземляют с сопротивлением заземляющего устройства не более 100 Ом. Передвижные объекты для перевозки нефтепродуктов (автоцистерны, автозаправщики и др.) заземляют с помощью токопроводящих шин или металлической цепью, касающейся земли 2–3 звеньями. Для перекачки нефтепродуктов применяют шланги из токопроводящей резины, которые также заземляют.

Резинотканевые спиральные рукава заземляют присоединением (пайкой) медного многожильного провода сечением более 6 мм2 к ершу (наконечник для крепления рукава) и металлической обмотке рукава, а гладкие рукава – пропусканием внутри него такого же медного провода с присоединением его к ершам.

Уменьшения образования статического электричества достигают применением в технологических процессах слабоэлектризующихся материалов, увеличением чистоты обработки поверхностей, снижением скорости рабочих процессов, силы трения и другими способами.

Слив нефтепродуктов в резервуары (цистерны) нефтескладов для уменьшения образования статического электричества проводят только закрытым способом с подачей нефтепродуктов снизу под слой нефтепродукта.

Нейтрализацию статического электричества осуществляют с помощью специальных приборов-ионизаторов, создающих вокруг наэлектризованного объекта положительные и отрицательные ионы. Ионы, имеющие заряд, противоположный заряду диэлектрика, притягиваются к объекту и нейтрализуют его.