Электромагнитное воздействие при ударах молнии в здание

20 декабря 2011 г. 12:14

ТЕХНОЛОГИИ ИНФОРМАЦИОННОГО ОБЩЕСТВА

Электромагнитное воздействие при ударах молнии в здание

В современных городах строится все больше высотных зданий, которые являются естественными аттракторами ударов молнии и поэтому часто подвергающихся грозовым воздействиям. Рассмотрены вопросы защиты здания и оборудования связи, установленного в здании, от электромагнитных воздействий при ударах молнии.

Морозов Б.Н.,

доцент кафедры "Линии связи“ МТУСИ Соколов Е.Г.,

магистрант кафедры “Линии связи" МТУСИ

Удар молнии в здание даже при наличии молниеотвода может нанести серьезные повреждения электрическим и электронным системам внутри адания Ввиду строительства в городах все большего числа высотных зданий, в которых к тому же могут размещаться передающие устройства беспроводной связи и телевидения, это проблема становится все более актуальной. Еще в конце XX в. было установлено, что "защитный эффект" высотного здания, связанный с его высотой, не совпадает с величиной, определяемой по общепринятым формулам для защитного эффекта мачт молниеотводов. Например, при исследовании ударов молнии в Останкинскую башню было установлено, что формы тока на вершине башни и внизу существенно не совпадают, что объясняется не соответствием импедан-сов канала молнии (600-2000 Ом), башни (300 Ом) и сопротивления заземления башни (0,2 Ома). Эти несоответствга вызывают отражения, и поскольку структура весьма протяженна, она ведет себя как распределенная цепь, что влияет на амплитуду, крутизну тока и излучаемое поле. Если здание имеет к тому же большой горизонтальный размер, а удар молнии происходит в какую-то конкретную точку (например, в угол зданю), происходит перераспределение стекающего тока и потенциалов по периметру здания. Распределение потенциалов в значительной степени зависит от строения металлического каркаса, который включает в себя арматуру стен, поддерживающих колонн и перекрытий, размеров ячеек каркаса, надежного соединения отдельных частей арматуры между собой, наличия заземленного фундамента, возникновения случайных индуктивных петель в каркасе при некачественной сворке и тд.

Верхние этажи имеют наибольшую величину потенциала. Как показывают наблюдена, при растекании тока от точки удара в горизонтальном и вертикальном направлении на основную кривую тока накладываются высокочастотные колебания с частотой порядка 1 МГц которые имеют наибольшую величину именно в верхней части и существенно сглаживаются на нижних этажах Если раньше хорошее заземление обеспечивало низкие потенциалы прикосновения, небольшие шаговые потенциалы и путь распространения сигналов с малым сопротивлением, и этого было достаточно, то теперь очень важной стала задача электромагнитного экранирования от внешних полей и уменьшения собственного излучения установки связи. Важнейшей задачей является:

а) обеспечить разрядам молнии путь в землю таким образом, чтобы защитить сооружение, его персонал и установленное внутри оборудование;

б) ограничить напряжение прикосновения в облости, доступной

людям, до безопасного уровня даже при ударе молнии и в условиях аварии на линии электропредачи;

в) уменьшить уровень помех в цепях.

Разница потенциалов между любыми двумя точками в здании (с точки зрения прикосновения и шаговых напряжений) должна быть как можно меньше. Но это также чрезвычайно важно сточки зрения создания экранированного пространства вокруг оборудования и отдельных его частей. Соединительные проводники обеспечивают защитную функцию уменьшения разницы напряжений между металлическими структурами, которые они соединяют вместе. Чтобы выполнять эту функцию в условиях переходного процесса, важно, чтобы их индуктивность, а, следовательно, и их длина была как можно меньше, а проводники, находящиеся на периферии телекоммуникационного предприятия, образовали сеть, похожую на большую клетку Фарадея. Периферийная система шин включает в себя кольцевые проводники, установленнь»е вдоль всего внутреннего периметра здания на каждом этаже сооружения; вертикальные стояки, соединяющие этажные кольцевые структуры и кольцевое заземление на первом этаже; при этом росстояние между вертикальными соединительными стояками должно быть не более 5 м. Любые металлические рамы, шкафы, ограждения, трубопроводы, металлический каркас здания, этажные шины заземления, металлизированные полы и потолки и т.п. должны быть подключены к общей соединительной системе в нескольких точках

Поскольку имеется много параллельных путей, предоставляемыми этими соединениями, конечный результат представляет низкое сопротивление всей структуры, что обеспечивает как электрическое экранирование, так и молниезащиту. Стойки оборудования нуждаются в надежном прикреплении к полу, система проводов наверху должна быть надежно прикреплена к потолку и стенам. Места, где поддерживающие структуры прикрепляются к зданию, делятся на две категории: внутренние поверхности наружных стен и крыши и полностью внутренние стены, полы и потолки. Такой монтаж может иметь результатом электрическое присоединение к стальной арматуре или стальному каркасу. Прикрепление к внешним стенам и крыше будет иметь возможным результатом электрическое соединение между поддерживающими структурами и металлическими проводниками на периферии здания.

Следует избегать установки электронного оборудования в пределах 1 м от внешних стен и избегать прикрепления стеллажей оборудования непосредственно к наружным стенам.

Следует избегать прокладки неэкранированных кабелей, силовых и связи, по наружной стене.

Разряд молнии создает большое индуктивное влияние внутри помещена. Электромагнитное поле внутри помещения может быть ослаблено с помощью ячеистой системы соединительных проводников. Систему соединительых проводников составляют металлическая арматура здания, металлические желоба, ст от ивы, шкафы, заземляющие шины, металлические корпуса оборудования, связанные между собой в ряде точек Если стены помещения сделаны из не-

Т-Сотт, #8-2011

73

проводящих материалов без арматуры, то коэффициент экранирования 1] =1 (то есть, экранирование отсутствует). Если оборудование размешено в металлическом контейнере, то 11 = 0,01. Коэффициент экранирования ячеистой сетки (решетки) определяется из вцхмсения

Г| »у*/8,5

где чу— размер ячейки в метрах, V/ < 8,5.

Напряжение, наведенное в контуре внутри помещения, определяется из выражения:

Ук»0,2пк-(с11с/#Ь-1п(1+еЛ) кВ

где к — коэффициент учёта качества металлическою соединения между мачтой и помещением, к ~ 1,5; — крутизна опасного

тока 1^ кА /мкс; крутизна обычно заключена в пределах от 9 до 65 кА/мкс. Приближенно ее можно определить приняв длительность фронта = 1 мкс тогда (сЛ^/сА) я 1а / 1 мкс* 1а кА/мкс; Ь — высота помещения в метрах; \ — расстояние от антенной мачты до помещения; е — расстояние от точки ввода кабелей в помещение до самой удаленной точки оборудования.

Наведенное напряжение вызывает рост токов в проводниках внутри здания, однако наличие сети проводников заземления (общей соединительной сети ОСС) снижает величину У^:

Ч, = к О)

Выражение (2) приобретает вид;

Ук = 0,2 Р Г| к • Ь • 1п (1 + е/0 кВ

Силовое оборудование может быть также подвержено электромагнитному воздействию молнии. Силовые кабели должны вводиться в помещение вблизи главного терминала заземления, и соединения между ними должны быть как можно короче и иметь достаточное поперечное сечение. Электрическая прочностьУ^ силового оборудования должна удовлетворять условию:

15)

где I — длина соединения между силовые кабелями и терминалом заземления; — сопротивление заземления; — полное сопротивление силовой линии; Ь — расстояние между защитным устройством и защищаемым оборудованием гр — средний геометрический радиус соединительного проводника между силовым кабелем и заземлением; У^ — остаточное напряжение на защитном устройстве.

Полное сопротивление (волновой импеданс) силовой линии может быть рассчитано из следующего выражения:

г = 601п [[Л + 648(р / /): ] / г!

где р — удельное сопротивление земли, Омм; {—эквивалентная частота волны, наведенной молнией, Гц г — радиус металлической оболочки, м; Ь — высота линии (для воздушной линии), м, или расстояние между жилой и землей (для подземной линии), м.

Предполагается, что ? * 100 кГц

Защитное устройство должно выдерживать импульсный ток с амплитудой

17)

где 1с — ток разряда молнии; п — количество металлических коммуникаций, подключенных к помещению (зданию) станции; т — число проводов в силовой линии.

Номенклатура защитных устройств, выпускаемых промышленностью, достаточно велика и приводится в прейскурантах.

Требования к заземляющим устройствам здания существенно изменились в связи с обострившимися проблемами электромагнитной совместимости микропроцессорной аппаратуры и все возрастающего числа источников влияния. Заземления стало многофункциональным и должно обеспечивать:

— функции рабочего заземления (например, в цепях длинноволновых антенн, в цепях защиты от коррозии);

— эффективность работы экранов;

— защиту изоляции от перекрытий;

— защиту персонала и аппаратуры от статического электричества;

— снижение разности потенциалов между различными точками заземляющего устройства;

— защиту чувствительных элементов от перенапряжений и тд

Заземление является одним из основных узлов сооружения электросвязи, который тесно связан как с проблемой безопасности работы, так и с проблемой экранирования оборудована от внешних электромагнитных полей. Необходимость в заземлении и создании эквипотенциальной соединительной сети внутри здания становится все более и более важной задачей при применении цифровых и высокоскоростных систем передачи.

Если раньше хорошее заземление обеспечивало низкие потенциалы прикосновения небольшие шаговые потенциалы и путь распространения сигналов с малым сопротивлением, и этого было достаточно, то теперь очень важной стала задача электромагнитного экранирования от внешних полей и уменьшения собственного излучения установки связи. Поэтому в проблеме заземления сооружения связи появилась задача не только соорудить само заземление с приемлемой ве-л^иной сопротивлен»«, но и создать внутри и снаружи систему соединительных проводников, обеспечивающих наименьшее возможное воздействие внешних полей. Конечно, важнейшей задачей заземляющей системы является обеспечение безопасности людей и зашита установок от повреждений при воздействии грозовых разрядов и токов коротких замыканий в системах электроснабжения.

Разница потенциалов между любыми двумя точками установки (сточки зрения прикосновения и шаговых напряжений) должна быть как можно меньше. Но это также чрезвычайно важно с точки зрения создания экранированного пространства вокруг оборудования и отдельных его частей.

Сеть проводников в здании, которая включает стальную арматуру, оболочки силовых кабелей, поддерживающие конструкции и соединительные проводники, создает приближение к экранирующей защите. Эта сеть называется Общая Соединительная Сеть (ОСС). Целью построения ОСС является сделать ее достаточно эффективной, чтобы обеспечить первый уровень защиты от молнии, коротких замыканий силовой сети и других переходных процессов. Экранирующий эффект ОСС возрастает при увеличении соединений существующих металлических структур. Плотность ОСС варьируется в соответствии с электромагнитной обстановкой на объекте. Обычно плотная ОСС необходима, если существует значительный риск удара молнии (особенно для высоких зданий, связанных с антеннами). Рекомендуется несколько топологий в конфигурации соединительных сетей, особенно в связи с сетями энергоснабжения постоянного и переменного тока.

Множество проводников ОСС, размещенных внутри или в непосредственной близости к наружным стенам, крыше и самому нижне-

74

Т-Сотт, #8-2011

му полу сооружения должно быть достаточно плотным, чтобы защитить оборудование внутри от электромагнитных источников снаружи. Рассматриваемые проводники включают следующие компоненты:

1) стальные рамы, арматуру, стальные кожухи, стальные балки, стропила крыши и тд.;

2) непрерывные конструкции на самом нижнем уровне каркаса, например, стальную арматуру в бетонном основании пола;

3) металлические прутья и полосы; и

4) подготовительные леса.

Во время сооружения армированных бетонных структур арматурные прутки до заливки бетона держатся на месте с помощью узлов из стальной проволоки или зажимов В большинстве случаев проволочные узлы или зажимы обеспечивают низкое сопротивление соединения (< 1 Ом). Бетон препятствует коррозии и сохраняет соединение. Поскольку имеется много параллельных путей, предоставляемыми этими соединениями, конечный результат представляет низкое сопротивление всей структуры, что обеспечивает как электрическое экранирование, так и молниезащиту Во время строительства медные соединительные проводники могут быть прикреплены к некоторым прутьям арматуры и выведены на поверхность бетона, чтобы установить “терминалы арматуры" и иметь возможность контроля. Если такие терминалы доступны на крыше, они могут быть использованы для подключения к кольцевой соединительной шине на крыше, стальному телу антенной башни и входной плате антенного кабеля.

До подключена соединительных проводников к выводам арматуры, последние должны быть использованы, чтобы проверить электрическую непрерывность арматуры.

В некоторых армированных железобетонных структурах ребра соединяются вместе с помощью сварки в точках пересечения и привариваются или соединяются перемычками с колоннами, перекладинами и стенами. Этот тип конструкции (который доступен в небольших сборных железобетонных секциях и зданиях) обычно обеспечивает очень плотную ОСС и используется для устройств, расположенных в области с высокой подверженностью ударам молнии.

Целью периферийной системы шин является максимальное первичное экранирование. Такие системы часто используются в зданиях малого и среднего размера, связанных с высокими антеннами или в местах с большим риском воздействия молнии. Этот метод также подходит для сооружений с минимальной естественной защитой (например, для деревянных зданий). Периферийная система шин включает:

1) Кольцевой проводник, который должен быть установлен вдоль всего внутреннего периметра здания на каждом этаже сооружения. Проводники кольцевой соединительной шины должны быть прикреплены к стенам или внешней стороне кабельных штативов около стены. Колыигвая соединительная шина должна быть расположена на такой высоте, чтобы быть доступной для визуального осмотра и для монтажных работ по подключению оборудования.

2) Если нужно, периферийная шина может быть составлено из нескольких секций, соединенных вместе экзотермической пайкой, гибкими соединениями или соединительным фидером.

3) Вертикальные проводники должны соединять кольцевые проводники на каждом этаже. При этом:

• Должен быть минимум один проводник в каждом углу здания.

• Если расстояние между соседними углами с вертикальными проводниками превышает 5 м, необходим еще один проводник в центре стены

• Если расстояние между угловыми и центральным проводником превышает 30 ч должны бьггь установлены дополнительные проводники, равноудаленные друг от друга.

4) На первом этаже (у поверхности земли) кольцевая соединительная шина должна подсоединяться к кольцевому заземлению, используя то же размещение, что и вертикальные проводники. Шина должна быть также подключена к:

• заземляющему фидеру в каждом кабельном вводном устройстве;

• трубопроводу питания переменного тока и сети защитных проводников;

• системе водопровода в сооружении;

• любым другим металлическим проводникам, расположенным снаружи.

Периферийная соединительная шина на первом этаже действует кок "протяженный" главный терминал заземления. Таким образом, в отдельном терминале заземления в данном случае нет необходимости.

5) Если необходимо, может быть добавлена вспомогательная соединительная шина. Этот проводник пересекает структуру и соединяет противоположные концы кольцевой шины. Такие проводники облегчают присоединение аппаратов к кольцевой соединительной системе. Эти проводники могут сыграть важную рот. защиты на верхнем этаже или на крыше и на самом нижнем уровне сооружения (у земли).

Стойки оборудования нуждаются в надежном прикреплении к полу, система проводов наверху должна быть надежно прикреплена к потолку и стенам

Места, где поддерживающие структуры прикрепляются к зданию, делятся на две категории: внутренние поверхности наружных стен и крыши и полностью внутренние стены, полы и потолки. Такой монтаж может иметь результатом электрическое присоединение к стальной арматуре или стальному каркасу. Желательны полностью внутренние присоединения, так как они увеличивают плотность ОСС С другой стороны прикрепление к внешним стенам и крыше будет иметь возможным результатом электрическое соединение между поддерживающими структурами и металлическими проводниками на периферии здания. Кроме того:

• Следует избегать установки электронного оборудования в пределах 1 м от внешних стен и избегать прикрепления стеллажей оборудования непосредственно к наружным стенам.

• Следует избегать прокладки неэкранированных кабелей, силовых и связи, по наружной стене. Однако кабели со сплошной металлической оболочкой годятся для прокладки по наружной стене, если оболочки подключены к ОСС на обоих концах (например, трубы с кабелем переменного тока или экранированные кабели между KBV и фидером постоянного тока).

• Прикрепление горизонтальных поддерживающих металлических частей к наружным стенам допустимо, если металлические части образуют большую электрически соединенную сеть (с ячейками 2 м).

Литература

1. lightning Return Strokes to Toll Tovery Modeling CKaraderizcfon of fie Strike Objed and Extracion of Primary Lightning Сипел» Waveform. Recent Progress n Lightning Physics, 2005.

2 MknaOL Developments in the sludy of lightning electromagnetic effects wiapplications to the projection of distribution power lines. Proceedings Asio-Pocific Conference on Environmental Electromagnetics CEEM?2006 Volume 1. August 1-4. 2006 Dalian China. P283-288. ISBN 1-4244-0183-6, IEEE Catalog Number ОбЕх1306, Library of congress 2006920854.

3. МСЭ-T Руководство no заземлениям и связующим перемычкам. 2003.

Баэалж ЭМ. Ообеююсти защиты высошых сооружений. Труды Второй Российской конференции по мол»«защите. Москва, 22-24 сентября 2010г.

T-Comm, #8-2011

75