МОЛНИЕЗАЩИТНОЕ УСТРОЙСТВО ВЗРЫВООПАСНЫХ ОБЪЕКТОВ
LIGHTNING PROTECTIVE DEVICE OF EXPLOSIVE OBJECTS

Изобретение относится к средствам защиты вооружения и военной техники, а именно взрывоопасных объектов от проявлений молнии.
В настоящее время, как показывает анализ причин возникновения аварийных ситуаций на объектах хранения боеприпасов, около 18% из них приходится на воздействие молнии. Для защиты объектов хранения боеприпасов от проявлений молнии применяются тросовые молниезащитные устройства (см. Инструкцию по устройству молниезащиты зданий и сооружений РД-34.21.122-87 Главтехуправления Минэнерго СССР от 12.10.1987, с. 19-21. Прототип. Открытое издание). Тросовое молниезащитное устройство включает: трос - молниеприемник - 2 шт., опоры молниеприемников - 4 шт., токоотводы, заземлители. Молниеприемник предназначен для переориентации разряда молнии от защищаемого объекта на молниезащитное устройство взрывоопасных объектов и приема на себя тока молнии высоких потенциалов. Токоотвод предназначен для отвода тока молнии от молниеприемника к заземлителям. Заземлители предназначены для направления тока молнии в грунт. Указанное молниезащитное устройство неспособно в полной мере обеспечить защиту хранимых запасов от воздействия молнии. Это связано с: зависимостью точности изготовления и монтажа молниезащитного устройства, провисанием тросов и их отклонением от расчетного положения в результате воздействия ветра (радиус отклонения достигает 1,7 м). Кроме того, в случае крена опоры молниеприемника (трещин сварных соединений и металла) устранить недостаток без его демонтажа невозможно. От раскачивания тросы перетираются, что приводит к снижению их площади поперечного сечения, а их монтаж является сложной технической задачей.
В тросовых молниезащитных устройствах применяются заземлители, утопленные в грунт, что приводит к необходимости их вскрытия при ремонте, а также планово, с периодичностью 1 раз в 5 лет.
Задача изобретения состоит в повышении надежности защиты взрывоопасных объектов от воздействия молнии, упрощении конструкции молниезащитного устройства, снижении трудоемкости монтажа, обслуживания и ремонта.
Техническим решением задачи является повышение надежности защиты взрывоопасных объектов от воздействия молнии, упрощение конструкции молниезащитного устройства, снижение трудозатрат на монтаж, обслуживание и ремонт.
Молниезащитное устройство взрывоопасных объектов, согласно изобретению включающее молниеприемник, токоотвод, заземлитель, токонепроводящие опоры, Молниеприемник изготавливается, например, из металлической арматуры ⌀ 30 мм, соединенной между собой сварными соединениями, представляет 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, молниеприемник соединен с токоотводом сварным соединением.
2
Токоотвод располагается на оси, перпендикулярной торцевой стене защищаемого объекта, над уровнем грунта, на опорах, идентичных опорам молниеприемника, изготавливается из материала, идентичного материалу молниеприемника, представляет собой, например, металлическую балку, соединяющую молниеприемник и заземлитель с использованием сварных соединений, с площадью поперечного сечения 700 мм.
2
Заземлители выполняются в виде металлических стержней, вбиваемых в грунт на глубину, например, 3 м, с надземной частью 1 м, на расстоянии между собой не менее 3 м, с площадью поперечного сечения 700 мм, 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, например, из труб асбестовых ⌀ 200 мм, длиной 2 м каждая, установленные на несущих стенах защищаемого объекта, по коньку крыши и под каждым перекрестием решетчатой металлической конструкции молниеприемника.
Изобретение поясняется фиг.1, 2, 3.
На фиг.1 представлен общий вид молниезащитного устройства взрывоопасных объектов, на фиг 2 - вид сбоку на объект, на фиг 3 показан вид сверху на объект, защищаемый молниезащитным устройством, где 1 - молниеприемник, 2 - токоотвод, 3 - заземлитель, 4 - токонепроводящие опоры.
Молниеприемник 1 представляет собой замкнутый металлический решетчатый контур, с размером ячейки 2×2 м. Данный размер установлен в результате расчета необходимого уровня защиты объекта (не ниже 0,99), с учетом удобства проведения работ по монтажу, обслуживанию и ремонту молниеприемника, недопущения отклонения молниеприемника от расчетного положения. Расчет произведен по формуле
где L - расстояние между балками молниеприемника, м;
h - высота токонепроводящих опор, м.
Данная формула взята из расчета зон защиты двойного тросового молниезащитного устройства - прототипа.
2
2
Размер арматуры предлагаемого устройства рассчитан с учетом обеспечения минимальной площади поперечного сечения молниеприемника (не менее 100 мм) и составляет 706 мм, упругих свойств материала, не дающего прогиба на расстоянии 2 м, наименьшего веса материала молниеприемника (1 м.п.арматуры ⌀ 30 весит 3 кг).
Токоотвод 2 расположен по оси, перпендикулярной торцевой стене защищаемого объекта, представляет собой металлическую балку, изготовленный из материала, идентичного молниеприемнику. Длина токоотвода определяется, исходя из индивидуальных особенностей защищаемого объекта и местности, на которой он расположен, но не менее чем 15 м (минимально допустимое расстояние от заземлителей до защищаемого объекта по грунту).
Заземлители 3 выполняются в виде металлических стержней не менее чем ⌀ 30 мм, с заостренным наконечником, вбиваемых в грунт вертикально на глубину 3 м, с надземной частью 1 м, соединенные с токоотводом сварным соединением. Диаметр стержней 30 мм выбран, исходя из удобства вбивания заземлителя в грунт. Расчеты были произведены по формуле для вертикальных заземлителей
и
где: R - импульсное сопротивление, Ом;
п
R - сопротивление растеканию тока промышленной частоты, Ом;
а - коэффициент импульса.
При этом коэффициент импульса изменяется в пределах 0,5-0,9 для вертикальных молниеприемников.
Сопротивление растеканию тока промышленной частоты рассчитано по формуле
п
где R - сопротивление растеканию тока промышленной частоты, Ом;
L - длина стержня, м;
d - диаметр стержня, м.
Установка заземлителя выбрана способом его вертикального вбивания, исходя из того, что при этом не нарушается структура грунта и его электропроводность вокруг заземлителя, а также значительно сокращается время на его установку. Глубина вбивания заземлителя 3 м выбрана, исходя из того, что зависимость падения сопротивления грунта от длины заземлителя изменяется по положительной гиперболе, и увеличение длины до 3 м дает значительный прирост падения сопротивления, а после 3 м прирост падения сопротивления будет незначительным, а также значительно усложняются работы по монтажу. Расчет производится по формуле
где ρ - среднее удельное сопротивление грунта, (Ом/м);
L - длина стержня, м;
d - диаметр стержня, м.
Кроме того, длина заземлителя 3 м выбрана, исходя из устройства цельнометаллических заземлителей, т.к. соединения стержня заземлителя, заглубленные в грунт, будут являться местами наибольшей коррозии, что приведет к преждевременному выходу заземлителя из строя. Размещение наиболее подверженного коррозии места - соединения токоотвода и заземлителя - над грунтом позволяет упростить обслуживание и ремонт заземлителей, а также увеличить срок их службы. Заземлители размещаются в зависимости от условий местности, в которой они устанавливаются, на расстоянии не менее 3 м между собой, в направлении от защищаемого объекта, в количестве не менее 3 шт.
Токонепроводящие опоры 4 предназначены для удержания конструкции молниеприемника на заданной высоте, исключения передачи тока молнии на защищаемый объект и грунт до места ввода заземлителей. Токонепроводящие опоры устанавливаются на несущих стенах защищаемого объекта, по коньку крыши и под каждым перекрестием решетчатой металлической конструкции молниеприемника. Токонепроводящие опоры изготавливаются, например, из труб асбестовых ⌀ 200 мм, для обеспечения необходимого сочетания прочности и веса конструкции, с учетом воздействия шквального ветра и падения деревьев.
Работа устройства.
В процессе развития молнии выделяют 3 стадии: лидерная, главная, стадия послесвечения. Лидер молнии, развиваясь от облака, до определенной высоты не зависит от объектов на поверхности земли. Ориентировка молнии начинается, когда объект попадает в стримерную зону лидера, которая составляет 3-6 высот объекта. На ориентирование молнии оказывают влияние следующие факторы: его высота, искажение электростатического поля, сопротивление заземления, рельеф местности, электропроводная структура грунта. Объект хранения боеприпасов значительно искажает электростатическое поле, так как внутри него хранятся проводники (корпуса снарядов и гильз), размещенные в диэлектрике (деревянная тара). Предлагаемое молниезащитное устройство при прочих равных условиях обладает меньшей высотой за счет отсутствия провисания троса, в среднем на 1,7 м, что приводит к ориентации на объект меньшего числа молний, т.к. стриммерная зона лидера напрямую связана с высотой объекта
где Z - радиус ориентации молнии (стриммерная зона), м;
h - высота молниеприемника, м.
стрим
где К - коэффициент, учитывающий влияние меньшей высоты предлагаемого молниезащитного устройства на надежность защиты относительно прототипа;
пр
Z - высота молниезащитного устройства прототипа, м;
пу
Z - высота предлагаемого молниезащитного устройства, м.
Отношение стриммерной зоны прототипа к аналогичному показателю предлагаемого устройства с учетом размеров объектов хранения (50×20×5 м) в прочих равных условиях составляет 1,24. Это означает, что предлагаемое молниезащитное устройство при ударе молнии в район расположения объекта хранения будет притягивать к объекту на 24% меньше ударов молнии.
При ударе молнии в объект, защищенный молниезащитным устройством взрывоопасных объектов, происходит переориентация лидера молнии с объекта на молниеприемник. У прототипа отклонение тросов от расчетного положения может составлять 1,7 м (минимальный радиус провисания тросов) и изменять высоту троса над объектом от 2 до 3,7 м. У предлагаемого устройства отклонение молниеприемника от расчетного положения и искажение электростатического поля отсутствует, высота молниеприемника над объектом не изменяется и составляет 2 м. Расчет коэффициента, учитывающего отклонение молниеприемника от расчетного положения, производится по формуле
откл
где К - коэффициент, учитывающий отклонения молниеприемников от объекта;
пр
L - отклонение молниеприемника прототипа от объекта, м;
пу
L - отклонение молниеприемника предлагаемого устройства от объекта, м.
Таким образом, коэффициент, учитывающий отсутствие отклонения молниеприемника от расчетного положения у предлагаемого устройства, составляет 1,85.
Элементами, непосредственно защищающими объект от удара молнии, являются молниеприемники. Для прототипа, при его установке над стандартным объектом (50×20×5 м), располагается 100 м тросов. У предлагаемого молниезащитного устройства взрывоопасных объектов, при прочих равных условиях, над объектом располагается 1070 м молниеприемника. Расчет коэффициента, учитывающего влияние на надежность защиты длины молниеприемника, производится по формуле
дмп
где К - коэффициент, учитывающий длину молниеприемника;
пр
S - длина молниеприемника прототипа, м;
пу
S - длина молниеприемника предлагаемого устройства, м.
Так как у предлагаемого устройства защитный элемент представлен в большем количестве, то коэффициентом, учитывающим влияние длины молниеприемника, будет 10,7.
Надежность защиты предлагаемого устройства относительно прототипа, принимая надежность защиты прототипа равной 1, предлагается рассчитывать по формуле
где N - относительная надежность предлагаемого устройства;
стрим
К - коэффициент, учитывающий изменение стриммерной зоны;
кмп
К - коэффициент, учитывающий влияние количественного показателя молниеприемника;
откл
К - коэффициент, учитывающий отсутствие отклонения молниеприемника.
N=1,24×10,7×1,85=24,54
Отсюда следует, что предлагаемое устройство при прочих равных условиях в 24,54 раза надежнее защищает объект относительно прототипа.
Вероятность защиты прототипа составляет 0,99, а вероятность поражения отсюда 0,01, что означает возможность поражения объекта одним ударом из 100. Учитывая относительную надежность предлагаемого устройства, вероятность поражения объекта при оборудовании его предлагаемым устройством составит 0,0004, а вероятность защиты 0,99969,
Соединение токоотвода с заземлителем, выполненное над уровнем грунта, значительно снижает влияние на них коррозии и увеличивает сроки службы и межремонтные сроки, а также снижает трудозатраты при обслуживании молниезащитного устройства, так как отпадает необходимость вскрытия грунта при их осмотре. Ток молнии, попадая на заземлители, растекается по прилегающему грунту. Надежность цельнометаллических заземлителей выше, так как они менее подвержены коррозии. Такие заземлители позволяют углублять их в грунт путем вбивания, что не нарушает электропроводность и электроемкость грунта. Также снижаются трудозатраты на установку, ремонт и обслуживание заземлителей за счет исключения из операции землеройных работ. Токонепроводящие опоры исключают контакт тока молнии с защищаемым объектом и грунтом вокруг него ближе расстояния безопасного удаления от объекта (15 м).
Оборудование объектов хранения боеприпасов молниезащитным устройством взрывоопасных объектов позволит повысить надежность защиты объектов от проявлений молнии, упростить конструкцию молниезащитного устройства, снизить трудозатраты на монтаж, обслуживание и ремонт, значительно сократить материалоемкость конструкции.
Надежность защиты объектов от проявлений молнии достигается за счет более стабильного и устойчивого положения молниезащитного устройства над защищаемым объектом, равномерным распределением молниеприемника над крышей защищаемого объекта, устройством сварных соединений над уровнем грунта. Упрощение конструкции достигается за счет использования материалов, не требующих применения грузоподъемных механизмов при монтаже, обслуживании и ремонте, непосредственной сборки молниезащитного устройства на объекте, исключения основной массы землеройных работ и необходимости демонтажа всего устройства при ремонте.