Способ активной защиты специальных промышленных объектов от грозовых разрядов с применением системы молниеприёмника, анодно-катодных заземлителей и катодного преобразователя
METHOD OF ACTIVE PROTECTION OF SPECIAL INDUSTRIAL OBJECTS FROM LIGHTNING DISCHARGES WITH USE OF INTERCEPTION ROD SYSTEM, ANODE-CATHODE EARTHERS AND CATHODIC CONVERTER

Настоящее изобретение относится к средствам защиты от повреждения промышленных объектов различного назначения при интенсивном воздействии атмосферного электричества, в частности к средствам активной молниезащиты.
Изобретение рассматривает способ молниезащиты объектов с ограниченной опасностью (средства связи, электростанции, пожароопасные производства), объектов, представляющих опасность для непосредственного окружения (нефте- и газоперерабатывающие предприятия, заправочные станции, хранилища сжиженного углеводородного газа и тому подобные), объектов опасных для экологии (химические заводы, атомные электростанции, биохимические фабрики и лаборатории) для которых допустимый уровень надежности от прямых ударов молнии установлен в пределах от 0,9 до 0,999 в зависимости от степени общественной значимости и тяжести ожидаемых последствий от ударов молнии.
Известный в настоящее время способ молниезащиты, как наиболее традиционный способ защиты, регламентируется в России инструкцией, утвержденной приказом Министерства Энергетики РФ 30.06.2003 г. №280 «Инструкция по устройству молниезащиты зданий, сооружений и промышленных коммуникаций» (в Общероссийском строительном каталоге присвоен номер СО 1353-34.21.122-2003). Устройства молниезащиты применяются для защиты всех видов зданий, сооружений и промышленных коммуникаций независимо от ведомственной принадлежности и формы собственности и их применение основано на положении, что любое устройство не может предотвратить развитие молнии, а его применение снижает риск ущерба от удара молнии. Комплекс средств молниезащиты включает устройства от прямых ударов молнии, относящиеся к внешней молниезащитной системе, и устройства защиты от вторичных воздействий молний, относящиеся к внутренней молниезащитной системе. Внешние устройства от прямых ударов молнии - молниеотводы представляют собой комплекс, состоящий из молниеприемников, токоотводов и заземлителей.
Молниеприемник предназначен для перехвата молнии. Токи молнии, попадающие в молниеприемник, через систему токоотодов (спусков) отводятся в заземлитель и растекаются в земле. Для элементов внешней системы молниезащиты применяется сталь, алюминий, медь, имеющие определенный естественный (стационарный) потенциал.
Специально устанавливаемые молниеприемники состоят из произвольной комбинации элементов: отдельных стержней, натянутых проводов (тросов), сетчатых проводников (сеток), либо их функции выполняют естественные молниеприемники (металлические кровли защищаемых объектов, металлические конструкции крыши, металлические элементы водосточных труб, технологические металлические трубы и резервуары).
Токоотводы располагаются так, чтобы между точкой поражения и землей ток растекался по нескольким параллельным путям и длина этих путей должна быть ограничена до минимума. В устройствах молниезащиты, изолированных от защищаемого объекта: стержневой молниеприемник, установленный на опоре предусматривает минимально один токоотвод, тросовый молниеприемник - на каждый конец троса по одному токоотводу, сетчатая конструкция - на каждую ее опору не менее одного токоотвода. При неизолированных устройствах токоотводы располагаются по периметру здания с расстоянием в зависимости от уровня защиты. Естественными токоотводами служат металлические конструктивные элементы зданий (конструкции, каркас здания или сооружения, стальная арматура, части фасада).
Заземлители по общим соображениям, за исключением отдельно стоящего молниеотвода, совмещают с заземлителями электроустановок и средств связи. Если по каким-либо технологическим соображениям заземлители должны быть разделены, применяют систему уравнивания потенциалов. Глубину закладки и тип заземляющих устройств выбирают из условия обеспечения минимальной коррозии, а также возможно меньшей сезонной вариации сопротивления заземления в результате высыхания и промерзания грунта. В качестве естественных заземляющих электродов используется соединенные между собой стальные электроды или арматура железобетона.
Система защиты от прямых ударов молнии выбирается так, чтобы максимально использовать естественные молниеотводы, а для обеспечения надежности - в комбинации со специально установленными.
По рекомендациям МЭК (IEC 1024-1-1) практическая целесообразность методов определения зон защиты представляется следующим образом:
- для простых по форме сооружений - метод защитного угла;
- для сложных сооружений - метод фиктивной сферы;
- для поверхностей - метод защитной сетки.
В системе предлагаемого изобретения используется стержневой молниеотвод и зона защиты определяется по стандартным правилам. Стандартной зоной молниезащиты одиночного стержневого молниеотвода является круговой конус, вершина которого совпадает с вертикальной осью молниеотвода. Габариты зоны определяются двумя параметрами: высотой конуса (ho) и радиусом конуса на уровне земли (ro). Для уровня надежности (Рз)=0,999 и для молниеотводов высотой (h) до 150 м расчет зоны определяется по формулам, указанным в таблице 1.
Недостатком описанного выше прототипа является следующее.
1. В связи с большой силой тока и крутизной его нарастания при ударе молнии возникает гораздо большая разница потенциалов, чем вследствие утечки тока в трехфазной цепи. Поэтому для защиты от воздействия токов молнии применяют систему уравнивания потенциалов, для этого напрямую или косвенно соединяют электроустановки, металлическую оснастку, систему заземления и молниезащитную систему с устройствами защиты посредством шины уравнивания. Цель уравнивания потенциалов - обеспечить равные потенциалы во всех взаимосвязанных металлических элементах объекта, то есть создать эквипотенциальную поверхность. Тогда при заносе высокого потенциала внутрь объекта он одновременно повышается на всех металлических конструкциях, благодаря чему не возникает опасной разности потенциалов, исключается возможность протекания опасных токов и искрения.
Однако существующая система уравнивания потенциалов не выполняет свое предназначение в полной мере, так как не учитывается величина естественного электрохимического (стационарного) потенциала материала, из которого изготовлены элементы молниезащиты. Между элементами молниезащиты и подземным сооружением (например, резервуары хранения сжиженного газа) образуется коррозионная макропара. Обычно для изготовления элементов внешней молниезащиты применяют материалы, указанные в таблице 2.
Рассматривая сооружения храпения взрывоопасных веществ (подземные стальные емкости, резервуары для хранения газа, бензина и т.п.) и при исполнении контура заземления молниезащиты из меди, образуется коррозионная макропара, в которой роль разрушающего электрода выполняет сооружение. Макропары способствуют образованию сквозных коррозионных каверн, через которые происходит утечка опасных веществ в окружающую среду. Подобные электрические соединения запрещены нормативными документами, которые регламентируют процессы электрохимической коррозии и защиты при эксплуатации промышленно-опасных производственных объектов, таких как стальные подземные резервуары для хранения сжиженного газа, бензина, шкафные газорегуляторные пункты с подводящими стальными газопроводами.
2. Элементы системы молниезащиты, выполненные из стали или алюминия, имеют соответствующий естественный стационарный отрицательный потенциал. По своей природе большинство молний, порядка 90%, также имеют разряд с отрицательным током. По известным законам физики отрицательные заряды отталкиваются, следовательно, рассматриваемая система молниезащиты не выполняет физической функции перехвата молнии.
3. Применяемые в большинстве случаев стальные заземляющие электроды в грунтовом электролите окисляются, то есть на электродах образуются микрокоррозионные пары и они покрываются продуктами коррозии. Продукты коррозии в виде ржавчины не являются токопроводными. Сопротивление растеканию стального контура заземления относительно времени и удельного сопротивления грунта ухудшают функцианальную работу молниезащиты, так как увеличивается сопротивление растеканию контура заземлителя молниезащиты. Способом борьбы с электрохимической коррозией подземных элементов системы является только их замена при уменьшении их площади поперечного сечения более чем на 25%.
4. Регламент эксплуатации системы молниезащиты предусматривает визуальный осмотр целостности системы перед началом грозового сезона и ограничивается 20% их общего количества. В большинстве своем настоящая система молниезащиты представляет собой пассивную не регулируемую систему защиты.
Известен способ активной молниезащиты зданий, сооружений и территорий (патент RU 2467443, H02G 13/00, опубл. 20.11.2012 г.) В предлагаемом способе молниезащиту осуществляют посредством активного молниеотвода, снабженного молниеприемником, сообщенного с системой заземления через генератор импульсного напряжения и внешнюю разрядную цепь. Генератор импульсного напряжения выполняют с возможностью постоянной работы в дежурном режиме и автоматического реагирования на изменения напряженности внешнего атмосферного электрического поля. Для этого генератор снабжают не менее чем двумя зарядными резисторными цепями и многосекционным разрядником. По достижении в атмосферном электрическом поле критического молниеопасного уровня напряженность электрического поля в генераторе молниеотвода под воздействием энергии электрического поля автоматически доводят до порогового уровня, достаточного для осуществления импульсных разрядов, и при формировании в атмосфере лидерной фазы развития молнии, движущейся к защищаемому объекту, автоматически производят с острия молниеприемника разряд в атмосферу встречного лидера молнии.
Известен способ защиты с применением молниезащитного устройства взрывоопасных объектов (патент № RU 2419938, H02G 13/00, опубл. 12.05.2010 г.). Молниезащитное устройство взрывоопасных объектов, включающее молниеприемник, токоотвод, заземлитель, отличающееся тем, что дополнительно введены токонепроводящие опоры, а молниеприемник, изготовленный из металлической арматуры 30 мм, соединенной между собой сварными соединениями, представляет собой замкнутый металлический решетчатый контур с размером ячейки решетки 2×2 м, расположенный симметрично над крышей защищаемого объекта, по периметру стен и коньку на высоте 2 м над объектом, причем молниеприемник соединен с токоотводом сварным соединением. Молниезащитное устройство, отличающееся тем, что токоотвод располагается на оси, перпендикулярной торцевой стене защищаемою объекта, над уровнем грунта на опорах, идентичных опорам молниеприемника, изготавливается из материала, идентичного материалу молниеприемника, представляет металлическую балку, соединяющую молниеприемник и заземлитель сварными соединениями. Заземлители выполняются в виде металлических стержней, вбиваемых в грунт на глубину 3 м, на расстоянии между собой не менее 3 м, соединенные с токоотводом сварным соединением над уровнем грунта, на расстоянии от защищаемого объекта не менее 15 м. Токонепроводящие опоры расположены равномерно по крыше защищаемого объекта и по направлению токоотвода, изготавливаются из труб асбестовых 200 мм длиной 2 м каждая, установленных на несущих стенах защищаемого объекта, по коньку крыши и под каждым перекрестием решетчатой металлической конструкции молниеприемника.
Недостатки известных способов защиты следующие:
1. Отсутствует источник постоянного тока, создающий электромагнитное поле молниеприемника и контура заземления в грунте и атмосфере.
2. Молниеприемник и контур заземления не имеет соответствующего по заряду электромагнитного поля для принудительного улавливания грозовых разрядов.
3. Отсутствуют технологические и конструктивные обоснования возможности улавливания молний с положительно и отрицательно зарядом.
4. Небольшое пространство и малая площадь защиты, на которых находится защищаемый объект.
5. Применяемые материалы для контура заземления не рассмотрены относительно стойкости к электролитическому растворению, так как контур заземления находится в грунтовом электролите и подвержен электрохимической коррозии, являющейся причиной уменьшения долговечности и эффективности работы молниезащиты.
В основу изобретения положена задача, заключающаяся в создании способа, обеспечивающего надежность защиты объектов различного назначения от поражения разрядами молнии с положительными токами и молнии с отрицательными токами, путем совместного использования системы катодно-анодных электродов, катодного преобразователя, элементов молниезащиты для улавливания и отведения разноименно заряженных грозовых разрядов.
Соответственно этому, технический результат, достигаемый при реализации заявляемого изобретения, состоит в обеспечении сохранности промышленных объектов от грозовых разрядов независимо от полярности разрядов, исключении пожаро-взрывоопасности, угрозы для человека и экологии.
Заявленный способ предлагается применять на следующих объектах:
1. Для защиты резервуаров хранения сжиженного газа, нефтепродуктов и других взрывоопасных жидкостей и газов на промышленных площадках и установленных в грунт или обвалованных грунтом; емкости для хранения сжиженного газа и бензина на автозаправочных станциях, установленных в грунт или обвалованных грунтом; отдельно стоящие газорегулируемые пункты;
2. Для защиты зданий и объектов, имеющих наружные теле- и радиоприемные устройства, стадионы и другие значительные по площади объекты, где собирается большое количество людей.
Актуальность заключается в сохранности находящихся в помещении телевизионных и радиоприборов, компьютеров и другой техники от грозового поражения, а возможно и от пожара. Теле- и радиоприемные антенны имеют небольшой, но положительный потенциал относительно земли, а применяемые в настоящее время устройства молниеприемника и контура заземления из стали имеют отрицательный потенциал относительно земли по медно-сульфатному электроду сравнения.
Грозовой разряд, имеющий в большинстве случаев отрицательный заряд, ударяет в телевизионные и радиоантенны, что приводит к выходу из строя электротехники. Молниеприемник и контур заземления, имеющий положительный потенциал относительно земли, будет способствовать исключению опасного попадания грозового разряда в теле- и радиоантенны, так как положительно (отрицательно) заряженная величина потенциала молниеприемника и контура заземления будет более высокой по абсолютной величине по сравнению с потенциалом приемной теле-, радиоантенны.
3. Для защиты военных объектов с радарными установками.
Поставленная задача решается тем, что система активной защиты специальных промышленных объектов от грозовых разрядов заключается в улавливании положительно или отрицательно заряженных грозовых разрядов посредством электрического соединения источника постоянного тока по типу катодного преобразователя, углеграфитовых и стальных заземлителей, стержневых молниеприемников через диодно-резисторные блоки, автомат защиты от перенапряжения, контактные устройства со стальным электродом сравнения, обеспечивая принудительное наведение на стержневой молниеприемник отрицательного потенциала для отведения от защищаемого объекта положительных грозовых разрядов и положительного потенциала для отведения отрицательных грозовых разрядов, при этом углеграфитовое заземление, являясь анодным электродом, а заземление из стали, являясь катодным электродом, выполняют роль контуров заземления молниеприемников. На анодном (положительном) контуре заземления и молниеприемнике значение потенциала не превышает плюс 80 вольт относительного стального электрода сравнения и, соответственно, на катодном (отрицательном) контуре заземления и молниеприемнике значение потенциала не превышает минус 10 вольт относительного стального электрода сравнения. С учетом падения напряжения в соединительной электрической системе общее напряжение катодного преобразователя на выходе не превышает 96 вольт.
Использование дополнительных сопротивлений диодно-резисторных блоков для установки величины электрохимического потенциала на анодном и катодном контурах заземления относительно стального электрода сравнения в зависимости от полярности разрядов молнии зависит от географических положений на местности, которое принимается (при отсутствии местных данных) 10% для разрядов с положительными токами и 90% для разрядов с отрицательными токами (источник: «Инструкция по устройству молниезащиты зданий, сооружений и промышленных коммуникаций» от 30.06.2003 г. №280 п. 2.3.1).
За счет отличительных признаков в заявленном способе проявляется более высокий по сравнению с аналогом результат:
1. Эффективнее выполняет роль активной молниезащиты, так как молниеприемник и контур заземления молниезащиты имеют наведенный (искусственно созданный) электрохимический потенциал относительно земли: положительный на анодном электроде и отрицательный электрохимический потенциал на катодном электроде, посредством применения катодного преобразователя.
2. Электрохимический потенциал в рассматриваемой системе можно регулировать выходными параметрами катодного преобразователя относительно площади и пространства защищаемого объекта, количеством применяемых установок молниеприемника с контурами заземления и учитывая удельное сопротивление грунта в месте расположения объекта. Указанные параметры определяются в соответствующем проекте. Сопротивление растеканию анодного и катодного заземления, количество и размер углеграфитовых и стальных электродов применять с учетом коэффициента старения (не более 40 Ом на каждом контуре заземления) расчет выполнять в соответствие с РД №153-39.4091-01 «Защита городских подземных трубопроводов от коррозии»).
3. Наведение положительного электропотенциала на молниеприемник и контур заземления способствует целевому принудительному улавливанию отрицательно заряженных грозовых разрядов и, соответственно, наведение отрицательного электропотенциала на молниеприемник и контур заземления способствует целевому принудительному улавливанию положительно заряженных грозовых разрядов, так как разноименно заряженные частицы притягиваются друг к другу.
4. Данная система работает в активном режиме при включенном источнике постоянного тока при наведении потенциала на молниеприемник и контур заземления, включается в ручном режиме и работает при надвигающемся грозовом фронте (прогноз грозы). Пассивный режим молниеприемника и контура заземления осуществляется без наведения электрохимического потенциала от катодного преобразователя, что позволяет экономить электроэнергию, при этом на контуре заземления и молниеприемнике формируется естественный стационарный потенциал, величина которого определяется по величине естественного стационарного потенциала материала, из которого изготовлен контур заземления, а именно для углеграфита в среднем плюс 0,35 вольт и для с тали в среднем минус 0,55 вольт.
Осуществление заявленного способа выполняется следующим образом. Схема соединения представлена на фиг. 1. В системе применяется следующие элементы:
- Молниеприемник (1) с наведенным положительным потенциалом служит для приема отрицательных грозовых разрядов, молниеприемник (2) с наведенным отрицательным потенциалом служит для приема положительных грозовых разрядов. Представляет собой стержневой элемент. Высоту и конструкцию молниеприемника необходимо применять согласно «Инструкции по устройству молниезащиты зданий, сооружений и промышленных коммуникаций» (Приказ Министерства энергетики РФ №280 от 30.06.2003 г.).
- Токоотвод (3) служит для направления молнии. Применяется кабель марки АВВГ сечением, указанным в таблице 2.
- Контур заземления молниезащиты служит для безопасного рассеивания тока молнии в земле: заземлитель-анод, выполненный их углеграфитовых труб (4) - для отрицательного тока молнии, заземлитель-катод, выполненный из стальных труб (5) - для положительного тока молнии.
- Катодный преобразователь (6) представляет внешний источник постоянного тока и служит для создания положительного и отрицательного электрохимического потенциала.
- Автоматическая защита от перенапряжения (7) необходима для того, чтобы в момент попадания молнии в молниеприемник весь ток принудительно стекал в грунт через заземлители, а катодный преобразователь, выполнив свою роль, отключился для исключения выхода из строя.
- Блок диодно-резисторный (8) служит для дополнительного регулирования сопротивления на анодном и катодном контурах заземления системы грозозащиты.
- Контактное устройство (9) для соединения элементов системы «катодный преобразователь - анодное (катодное) заземление-молниепримник» и
- Электропитание катодного преобразователя предполагается от опоры линии электропередачи (10).
- Стальной электрод сравнения (11) для выполнения измерений контроля за эффективностью работы системы.
- Контур заземления катодного преобразователя (12).
- Дренажная линия анодно-катодной системы (13). Марка кабеля АВВГ.
- Выключатель электропитания катодного преобразователя (14).
- Зона защиты молниеприемника (15).
- Постамент для катодного преобразователя (16).
- Промышленное сооружение (17).
- Молния положительным зарядом (18).
- Молния отрицательным зарядом (19).
Катодный преобразователь, блок диодно-резисторный, контактное устройство, контур заземления и стальной электрод сравнения являются общеизвестными техническими средствами, применяемыми в области катодной защиты подземных металлических сооружений от электрохимической коррозии в соответствии с рабочей документации РД 153-39.4-091-01 «Инструкция по защите городских подземных трубопроводов от коррозии» (утвержденный Министерством энергетики РФ 29.12.2001 г.).
Способ активной защиты промышленных объектов от грозовых разрядов с применением системы молниеприемника, анодно-катодных заземлителей и катодного преобразователя осуществляется следующим образом.
Катодный преобразователь (6) установить на постаменте (16), питание осуществить от сети электроснабжения напряжением 220 вольт (10). Место расположения катодного преобразователя определяется в плане на местности согласно разработанному проекту. Положительную клемму катодного преобразователя (6) через диодно-резисторный блок (8), через автоматическое устройство защиты от перенапряжения (7) соединить кабелем (13) с контуром заземления-анодом из углеграфитовых труб (4) в контактном устройстве (9). В контактном устройстве (9) выполнить соединение заземления-анода (4) кабелем (3) с молниеприемником (1), улавливающим отрицательно заряженные грозовые разряды (19). Отрицательную клемму катодного преобразователя (6) через диодно-резисторный блок (8), через автоматическое устройство защиты от перенапряжения (7) соединить кабелем (13) с контуром заземления-катодом (5) из стальных труб в контактном устройстве (9) и, соответственно, кабелем (3) с молниеприемником (2), улавливающим положительно разряженные грозовые разряды (18). Для катодного преобразователя выполнить раздельный контур заземления от заноса высокого напряжения (12). Для измерения величины электрохимического потенциала необходимого для выполнения эффективной функции молниезащиты в контактном устройстве (9) установить стальной электрод сравнения (СЭС) (11). Величину электрохимического потенциала на анодном и катодном заземлениях установить при пуско-наладочных работах относительно стального электрода сравнения. Величина потенциала на анодном (положительном) контуре заземления и молниеприемнике не превышает плюс 80 вольт относительного стального электрода сравнения и, соответственно, на катодном (отрицательном) контуре заземления и молниеприемнике не превышает минус 10 вольт.
Включение катодного преобразователя через выключатель (14) позволяет включать систему наведения электрохимического потенциала на контур заземления и молниеулавливатель в период грозового фронта, при отключенном катодном преобразователе система работает по величине стационарного естественного потенциала контура заземления.
В зависимости от опасности защищаемого объекта и площади защищаемого пространства к одному катодному преобразователю возможно подключать от двух до четырех контуров заземления и молниеприемников, которые следует расположить на расстоянии друг от друга, образуя квадрат как показано на фиг. 2. Для определения рабочих параметров катодного преобразователя и количество молниеприемников для каждого конкретного объекта следует разрабатывать рабочий проект защиты.
Описываемый способ поясняется иллюстрирующими материалами.
На фиг. 1 представлена схема соединения системы защиты промышленных объектов от грозовых разрядов с применением системы молниеприемника, анодно-катодных заземлителей и катодного преобразователя.
На фиг. 2 представлен план размещения системы защиты промышленных объектов от грозовых разрядов с применением системы молниеприемника, анодно-катодных заземлителей и катодного преобразователя.