ПОЗНАВАТЕЛЬНОЕ

Сила воли ведет к действию, а позитивные действия формируют позитивное отношение

Как определить диапазон голоса - ваш вокал

Игровые автоматы с быстрым выводом

Как цель узнает о ваших желаниях прежде, чем вы начнете действовать. Как компании прогнозируют привычки и манипулируют ими

Целительная привычка

Как самому избавиться от обидчивости

Противоречивые взгляды на качества, присущие мужчинам

Тренинг уверенности в себе

Вкуснейший "Салат из свеклы с чесноком"

Натюрморт и его изобразительные возможности

Применение, как принимать мумие? Мумие для волос, лица, при переломах, при кровотечении и т.д.

Как научиться брать на себя ответственность

Зачем нужны границы в отношениях с детьми?

Световозвращающие элементы на детской одежде

Как победить свой возраст? Восемь уникальных способов, которые помогут достичь долголетия

Как слышать голос Бога

Классификация ожирения по ИМТ (ВОЗ)

Глава 3. Завет мужчины с женщиной

Оси и плоскости тела человека - Тело человека состоит из определенных топографических частей и участков, в которых расположены органы, мышцы, сосуды, нервы и т.д.

Отёска стен и прирубка косяков - Когда на доме не достаёт окон и дверей, красивое высокое крыльцо ещё только в воображении, приходится подниматься с улицы в дом по трапу.

Дифференциальные уравнения второго порядка (модель рынка с прогнозируемыми ценами) - В простых моделях рынка спрос и предложение обычно полагают зависящими только от текущей цены на товар.

Отраслевой стандарт ОАО «РЖД» 08.026-2015 Устройства молниезащиты и заземления технических средств

Кузнецов М.Б., Плавник Я.Ю., Смагин Ю.С.

Секция: «Нормативная база молниезащиты»

В настоящем докладе представлены основные положения СТО РЖД 08.026-2015 «Защита от атмосферных и коммутационных перенапряжений. Устройства молниезащиты и заземления технических средств. Технические требования» [1] в части относящейся к молниезащите.

Не смотря на больше количество стандартов по молниезащите, действующих в нашей стране, ни один из них не распространяется напрямую на объекты ОАО «РЖД». При этом в отрасли отсутствует собственная научно-исследовательская база, позволяющая на основе специально проведенных экспериментальных и теоретических исследований разработать собственный нормативный документ, определяющий правила построения систем внешней молниезащиты. Большинство нормативных документов, разработанных в ОАО «РЖД», относятся к внутренним системам молниезащиты (защиты от перенапряжений, вызванных воздействием молнии) и носят ярко выраженный внутриведомственный характер, что не позволяет их использовать для других ведомств отрасли. Проводимые в настоящее время в ОАО «РЖД» мероприятия по структуризации нормативной базы, касающейся защиты от электромагнитных помех, и включающей стандарты, нормы, типовые решения и методики проектирования, предусматривают создание собственного документа по молниезащите.

Таким образом, целью написания указанного стандарта была разработка понятной и удобной для применения во всей железнодорожной отрасли методики проектирования системы молниезащиты (как внутренней, так и внешней), которая максимально использовала бы существующие наработки в области молниезащиты и действующие в РФ стандарты [2], [3], [4], [5]. Кроме того, такая методика должна быть пригодна для использования при введении отраслевых стандартов по оценкам рисков нежелательных событий, вызванных молниевыми разрядами.

В основу методики определения параметров систем внутренней и внешней молниезащиты положено понимание вероятностного характера молнии и необходимость создания системы молниезащиты, способной обеспечить защиту объекта от ударов молнии с определенными токами. Исходя из параметров защищаемого объекта, должны быть определены значения токов молнии, на которые указанная система должна быть рассчитана. Это позволит оптимизировать затраты на создание системы молниезащиты. Хотя почти все приводимые в стандарте положения и формулы хорошо известны [4], [5], [6], [7], [8], в настоящее время в РФ нет стандарта, чётко описывающего методику выбора тока молнии, как параметра, определяющего характеристики системы молниезащиты.

1. Первым шагом при проектировании системы молниезащиты должно быть определение минимального времени (Т) между нежелательными событиями, наступающими при молниевом разряде. К нежелательным событиям относятся прорывы молнии через систему внешней молниезащиты и разряды молнии в систему внешней молниезащиты с токами, превышающими те, на которые рассчитана внутренняя система молниезащиты (Imax), позволяющая минимизировать воздействие вторичных проявлений молнии на защищаемое оборудование. При этом, согласно, например, [4], [5], [9], прорыв через зону внешней молниезащиты возможен только для молний, имеющих ток меньше определенного (Imin), на который рассчитана система. Таким образом, проектируя систему молниезащиты, мы должны выбрать минимальные (Imin) и максимальные (Imax) токи молнии, на которые указанная система будет рассчитана. Этот выбор должен быть основан на оценке рисков наступления нежелательных событий, вызванных молниевыми разрядами, отнесенных к затратам на выполнение мероприятий по защите. При этом сами нежелательные события должны оцениваться по-разному, в зависимости от возможного ущерба, вызванного такими нежелательными событиями. Указанные оценки в соответствии с ГОСТ Р МЭК 62305-1-2010 и ГОСТ Р МЭК 62305-2-2010 должны производиться как на основе определения прямого ущерба, такого как стоимость вышедшего из строя оборудования, так и на основе косвенного ущерба, связанного с задержками в работе железнодорожного транспорта и даже с имиджевыми потерями. При этом целесообразно определять не только величину возможного ущерба, но и вероятность или частоту наступления нежелательного события, приводящего к возникновению такого ущерба. Поскольку в настоящее время методика оценки рисков при ударах молнии для различных отраслей, в том числе для РЖД не разработана, а приведенная в [5] методика имеет общий характер (что не позволяет механически применить её, например, к объектам ОАО РЖД), на данном этапе примем, что единственным параметром надежности является время (Т) между двумя нежелательными событиями и предположим, что это время задано, например, как период между капитальными реконструкциями защищаемого объекта, или кратно этому периоду.

2. Следующим шагом необходимо, исходя из геометрических параметров защищаемого объекта и грозовой активности в регионе, определить количество ударов молнии в этот объект в год. Здесь не стоит забывать, что количество ожидаемых ударов в объект с внешней системой молниезащиты (состоящей, например, из отдельно стоящих молниеотводных мачт) может сильно отличаться от того же количества ударов в объект без такой молниезащиты. Для определения количества ударов в объект используется стандартная формула, приведенная в [5]:

N_D= N_g × S_сб × С_D × 10^-6, (1)

где N_g плотность ударов молнии в землю, 1/(км² × год);

S_сб – площадь сбора молниевых разрядов (collection area), согласно [5], м²;

С_D – коэффициент местоположения, учитывающий влияние других объектов.

Плотность ударов молнии в землю N_g определяют по данным метеорологических наблюдений в месте размещения объекта. В случае если таких данных нет, плотность ударов молнии в землю N_g, 1/(км² × год), рассчитывают, согласно [2] по следующей формуле:

N_g = 6,7 × Т_h/100, (2)

где Т_h - средняя продолжительность гроз в год, час.

Площадь сбора молниевых разрядов Sсб для изолированных зданий/сооружений на равнинной местности определяют по формулам, приведенным в [5].

Отличием от ГОСТ Р МЭК 62305-2-2010 [5] в представляемом стандарте [1] является несколько другое определение коэффициента местоположения С_D, которое приведено в Таблице 1. При этом в СТО для более точных расчетов допускается применять промежуточные значения С_D.

Т а б л и ц а 1 – Коэффициент местоположения С_D

3. После определения количества ударов в объект (N_g) и допустимого времени (Т) между двумя нежелательными событиями определяют вероятность наступления одного нежелательного события в течение заданного времени по формуле:

. (3)

где Т – время за которое ожидается одно превышение тока молнии над максимальным значением (одно нежелательное событие для случая, когда нежелательно превышение тока молнии над пороговым значением), лет;

N_D – количество ударов молнии в год, согласно формуле (1), 1/год.

Использование этой формулы позволит определить как вероятность того, что ток молнии превысит максимальное значение, так и вероятность того, что ток молнии окажется меньше минимального значения (1- ), что важно при определении надежности защиты объекта от прямого удара молнии.

4. Исходя их полученной вероятности наступления одного нежелательного события можно определить максимальный и минимальный токи молнии по известным формулам, приведенным в [4].

Так, в соответствии с [4], плотность вероятности тока молнии определяют как:

, (4)

где I – ток молнии, кА;

µ = 61,1 для молнии отрицательной полярности и при токе молнии менее 20 кА;

µ = 33,3 для молнии отрицательной полярности при токе молнии более 20 кА;

σ = 0,576 для молнии отрицательной полярности при токе молнии менее 20 кА;

σ = 0,263 для молнии отрицательной полярности при токе молнии более 20 кА.

µ = 33,39 для молнии положительной полярности;

σ = 0,527 для молнии положительной полярности.

Вероятность того, что ток не превысит заданного наперед значения I₀, определяют следующим выражением:

, (5)

где p^-(I) – плотность вероятности тока молнии отрицательной полярности;

p⁺(I) – плотность вероятности тока молнии положительной полярности;

q – доля молний отрицательной полярности в общем количестве разрядов.

В случае, если не известно соотношение молний положительной и отрицательной полярностей, в соответствии с [4], следует принимать следующее отношение: 10 % положительных и 90 % отрицательных разрядов молнии, т.е. q=0,9.

Точное значение вероятности того, что амплитуда тока молнии не превысит заданное значение можно рассчитать по формуле (5), приближенные значения могут быть получены из Таблицы А.3. [4] (следует отметить, что в Таблице приведены значения вероятности, что ток молнии превысит выбранное значение), при составлении которой использовалось значение q=0,9.

Формула (5) может использоваться как для определения вероятности удара молнии с током, не превышающим заданный (I₀), так и для определения тока молнии, который не будет превышен с вероятностью, определенной заранее, например, по формуле (3).

5. Таким образом, зная количество ударов молнии в объект (N_g) и приняв минимальное допустимое время (Т) между двумя нежелательными событиями, мы определяем максимальный (Imax) и минимальный (Imin) токи молнии (см. Таблицу 2). Максимальный ток (Imax) молнии определяет параметры внутренней системы молниезащиты, например, токи, которые должны выдерживать УЗИП, необходимые коэффициенты экранирования импульсного магнитного поля, допустимые расстояния между элементами системы молниезащиты и проводящими частями защищаемого объекта, изоляционные промежутки, и т.п. Минимальный ток (Imin) молнии определяет уровень надежности внешней системы молниезащиты. В СТО РЖД 08.026-2015 для объектов ОАО РЖД рекомендовано предпочтительное использование для определения конфигураций зон внешней защиты формул из [2], поскольку [2] в настоящее время является наиболее распространенным и привычным для использования, однако указанные формулы применимы только для дискретных значений надежности защиты из ряда 0,9, 0,99 и 0,999. В случае получения другого значения рекомендуется выбрать ближайшее большее значение из приведенного ряда. Для методики, построения зон внешней молниезащиты с помощью метода катящейся сферы (или другой методики, не использующей дискретные значения токов молнии), такое неудобство отсутствует, и надежность внешней системы молниезащиты может точно соответствовать выбранному минимальному току.

Т а б л и ц а 2 - Значения параметров молнии, соответствующих уровням внешней молниезащиты

При проектировании системы молниезащиты необходимо чётко разделять надежность внешней системы молниезащиты и надежность защиты объекта от нежелательного события. Надежность внешней системы молниезащиты или защиты от прямого удара молнии, т.е. от прорыва молнии через систему внешней молниезащиты (который происходит только при токе молнии менее Imin), всегда будет выше, чем надежность защиты объекта от любого нежелательного события, происходящего при токе молнии менее Imin или более Imax.

Это следует учитывать в случае, когда, например, планируется проектирование системы молниезащиты с высокой надежностью, например, 0,999. Если в этом случае необходимо действительно добиться того, чтобы количество нежелательных событий было уменьшено в 1000 раз (по сравнению со случаем полного отсутствия защиты), то внутренняя система молниезащиты должна выдерживать ток более 760 кА, а внешняя обеспечить защиту от прорыва молнии с током ~750 А и выше. Такая система защиты может оказаться неоправданно затратной. При этом, однако, если необходимо добиться только отсутствия прорывов молнии через систему молниезащиты с надежностью 0,999 (перехват молний с током выше 1 кА), то возможность системы внутренней молниезащиты того же объекта выдерживать ток не выше, например, 200 кА, приведет уменьшению общей надежности до 0,989, а значит и к уменьшению общего времени между двумя нежелательными событиями. Общую надежность защиты будет в большей степени определять надежность той системы (внутренней или внешней), для которой значение надежности меньше. В большинстве случаев нет смысла значительно увеличивать надежность защиты от прорыва молнии через систему внешней молниезащиты, не увеличивая одновременно надежность внутренней системы молниезащиты (т.е. способность этой системы защитить аппаратуру от ударов молнии с высокими значениями тока).Оптимальным может оказаться применение надежности внешней защиты на уровне 0,99 в случае если внутренняя молниезащита не рассчитана на токи выше 200 кА, или на уровне 0,9 – если внутренняя молниезащита не рассчитана на токи выше 80 кА.

Значительное отличие величин надежности внутренней и внешней систем молниезащиты допустимо в тех случаях, когда повреждения, вызванные прорывами молнии и повреждения, вызванные сбоями ли разрушением аппаратуры, приводят потерям, значительно отличающимся по уровню допустимости. Например, высокое значение надежности внешней системы молниезащиты может быть оптимально для объектов, где при прорыве молнии возможны масштабные повреждения, пожары или человеческие жертвы (например, в случае большого пассажирского здания или в узлах налива нефти), тогда как потери от повреждения аппаратуры для такого объекта могут оказаться незначительными и не потребуют высокого уровня надежности системы внутренней молниезащиты. И наоборот, для небольшого и необслуживаемого здания (вероятность удара молнии в которое невелика) наполненного дорогостоящей аппаратурой, отвечающей за бесперебойную работу большого транспортного узла или высокоскоростной магистрали, надежность внутренней системы молниезащиты должна быть намного выше, чем внешней системы молниезащиты.

6. Указанная методика связывает выбранный уровень надежности защиты и ток молнии, как параметр, определяющий необходимые характеристики систем молниезащиты (как внешней, так и внутренней). Методика может быть без существенных изменений адаптирована для любых других методов определения конфигурации зон внешней молниезащиты. Методика может уточняться при уточнении параметров молниевых разрядов, таких, например, как коэффициенты в формуле плотности вероятности или соотношение отрицательных и положительных молний.

7. В качестве основных формул, используемых в СТО РЖД 08.026-2015 для построения зон внешней защиты, приняты формулы, приведенные в [2], как наиболее часто и повсеместно используемые в России. При этом указанные формулы дополнены таким образом, что методика СТО РЖД 08.026-2015 позволяет строить зоны защиты для разновысоких стержневых молниеотводов (этой возможности в [2] не было, что не позволяло полноценно, без принятия различных допущений использовать этот документ проектировщиками). При этом метод построения зоны защиты разновысоких молниеотводов аналогичен применяемому в [3] и описан ниже.

Молниеотвод считается двойным, когда расстояние между стержневыми молниеприемниками L не превышает предельной величины L_max, которая определяется по таблице 3.6 из [2] при подстановке вместо h среднего значения высоты (h_ср) двух рассматриваемых молниеотводов. В противном случае оба молниеотвода рассматриваются как одиночные.

Конфигурация вертикальных и горизонтальных сечений стандартных зон защиты двойного разновысокого стержневого молниеотвода (высотой h₁ и h₂ и расстоянием L между молниеотводами) представлена на рисунке 1. Построение внешних областей зон двойного молниеотвода (полуконусов с габаритами h₀₁, r₀₁, h₀₂, r₀₂) производят по формулам таблицы 3.4 из [2] для одиночных стержневых молниеотводов. Размеры внутренних областей определяют параметрами h_0-ср и h_c-ср. При этом h_0-ср определяют как среднее арифметическое h₀₁ и h₀₂.

При расстоянии между молниеотводами L £ L_C граница зоны не имеет провеса (h_c-ср = h_0-ср). Для расстояний L_C £ L £ L_max высоту h_c-ср определяют по выражению

(6)

Входящие в него предельные расстояния L_max и L_C вычисляют по эмпирическим формулам таблицы 3.6 из [2] для h=h_min, пригодным для молниеотводов высотой до 150 м.

Размеры горизонтальных сечений зоны вычисляют по следующим формулам, общим для всех уровней надежности защиты.

Полуширина зоны r_хi (i – номер молниеотвода) со стороны, где молниеотводы не взаимодействуют, в горизонтальном сечении на высоте h_x:

(7)

Полуширину горизонтального сечения в центре между молниеотводами на высоте h=0 определяют по формуле:

(8)

Рисунок 1 - Зона защиты двойного разновысокого стержневого молниеотвода

Длина горизонтального сечения l_x1 на высоте h_x ³ h_c-ср:

(9)

причем при h_x < h_c L_x = L/2;

Ширина горизонтального сечения в центре между молниеотводами 2r_cx на высоте h_x £ h_c, где

(10)

Литература

[1] СТО РЖД 08.026-2015 «Защита от атмосферных и коммутационных перенапряжений. Устройства молниезащиты и заземления технических средств. Технические требования»

[2] СО 153-34.21.122-2003 Инструкция по устройству молниезащиты зданий, сооружений и промышленных коммуникаций.

[3] РД 34.21.122-87 Инструкция по устройству молниезащиты зданий и сооружений.

[4] ГОСТ Р МЭК 62305-1-2010 Менеджмент риска. Защита от молнии. Часть 1. Общие принципы

[5] ГОСТ Р МЭК 62305-2-2010 Менеджмент риска. Защита от молнии. Часть 2. Оценка риска.

[6] РД 153-34.3-35.125-99. Руководство по защите электрических сетей 6-1150 кВ от грозовых и внутренних перенапряжений.

[7] Выбор параметров импульса молнии для защиты микропроцессорной аппаратуры и ее цепей. Кузнецов М., Матвеев М., Дутов И., Осьмушкин Д., Мамлеев Р., Новости Электротехники, №4 (70) 2011.

[8] Защита объектов от импульсных перенапряжений. Оценка надежности при разрядах молнии в элементы системы молниезащиты. Таламанов О., Кузнецов М., Новости Электротехники, №5 (89) 2014.

[9] Молния и молниезащита, Александров Г.Н., Москва, Наука 2008.