Молния: риски и современные методы защиты. Опыт ОБО Беттерманн

Молния — одно из самых величественных и одновременно разрушительных явлений природы. Это гигантский электрический искровой разряд в атмосфере.

По статистике, каждую минуту в мире происходит около 6 тысяч ударов молнии, а в день – более 8 миллионов. В условиях активного научно-технического развития прямая угроза от молнии многократно возрастает.

Удельная плотность ударов молнии на квадратный километр в год связана со среднегодовой продолжительностью гроз в часах согласно таблице из стандарта по молниезащите РД 34.21.122–87.

Среднегодовая продолжительность гроз в часах	Удельная плотность ударов молнии, км2 в год
10-20	1
20-40	2
40-60	4
60-80	5,5
80-100	7
Более 100	8,5

Раздел 1: Поражающие факторы молнии

Прямое попадание молнии в здание или линию электропередачи — это не просто удар. Это комплексное воздействие нескольких физических факторов, таких как высокий ток, сверхвысокая температура и мощное электромагнитное поле.

• Высокие токи – в среднем в разряде молнии сила тока составляет около 30 кА, пиковые значения достигают 200 кА. При этом напряжение, которое доставляет к земле канал молнии, может варьироваться от десятков миллионов до миллиарда В.

Последствия воздействия высоких токов:

1. Термическое воздействие – в результате перегрева, который описывается законом Джоуля-Ленца, происходит практически мгновенное возгорание, плавление материалов и строительных конструкций.

Закон Джоуля-Ленца: Q = I²×R×t,
где Q — количество теплоты (Дж),
I — сила тока (А),
R — сопротивление проводника (Ом),
t — время, в течение которого ток протекает (с).

2. Механическое воздействие – ток, протекающий по каналу молнии, является источником сильного магнитного поля, создающего мощные электродинамические силы, которые могут разрушать объекты, изгибать металлические элементы, разрывать проводники.

3. Шаговое напряжение - при ударе в землю ток молнии растекается, создавая разность потенциалов на поверхности. Если в этой зоне окажется человек или животное, то удара током не избежать (см. рисунок 1).

• Мгновенный нагрев до сверхвысоких температур

Температура в основном канале молнии может достигать 30 000 °C — это в 5 раз выше, чем на поверхности Солнца. Поэтому попадание молнии приводит к пожару, взрыву или разрушению конструкций за счёт быстрого нагрева влаги, содержащейся в материалах (например, в древесине или бетоне), и резкого повышения давления.

• Мощное электромагнитное поле

Ток молнии, достигающий пика за микросекунды, генерирует импульсное электромагнитное поле колоссальной величины. Быстрое нарастание и спад тока (di/dt) индуцирует высокие напряжения во всех проводящих контурах в радиусе сотен метров. Из-за этого в электросетях наблюдаются импульсные перенапряжения, и устройства – как промышленные установки, так и бытовая техника, - выходят из строя.

Для защиты от грозовых, а также, коммутационных (не связанных с молнией, но имеющих схожие параметры) перенапряжений с большой энергией в зданиях и электроустановках требуются внутренние системы молниезащиты.

Рисунок 1. Типы перенапряжений
1. Провалы напряжения/короткие прерывания,
2. Гармоники, обусловленные постепенными и резкими изменениями напряжения,
3. Временные повышения напряжения,
4. Коммутационные перенапряжения,
5. Грозовые перенапряжения,
6. Случай применения устройств защиты от импульсных перенапряжений (УЗИП).

Раздел 2: Последствия ударов молнии

Удар молнии создаёт риски для здоровья и жизней людей. Опасность таят как прямые попадания, так и атмосферные (грозовые) перенапряжения, возникающие в радиусе до 2 км.

Угрозу удара молнии вычисляют на основе анализа риска в соответствии с ГОСТ Р МЭК 62305-2-2010. Местный риск определяется из соотношения между частотой ударов молнии, умноженной на вероятность ущерба, и коэффициентом утраты или размера ущерба. В зависимости от угрозы удара и прогнозируемых повреждений рассчитывается класс молниезащиты для здания.

Оценку риска вычисляют по формуле: Rx = Nx * Px * Lx,
где Nx - количество опасных событий в год,
Рх — вероятность повреждения здания (сооружения),
Lx — косвенные потери.

Количество опасных событий Nх зависит от плотности ударов молнии в землю и физических характеристик защищаемого здания, его окрестностей, линий коммуникаций и свойств грунта.

Для жизни людей

При ударе молнии в землю, здание или дерево ток растекается в грунте. Это приводит к возникновению шагового напряжения - разности потенциалов между двумя точками на поверхности земли. Находясь в этой зоне, люди и животные подвергаются удару током и могут получить электротравму.

Чтобы предотвратить трагедию организуют систему уравнивания потенциалов. В зданиях, оборудованных системой молниезащиты, ток молнии принимается молниеприемником, протекает по токоотводам и отводится в землю заземлителем. За счёт это минимизируются риски внутри объекта. Все металлические конструкции соединены с системой уравнивания потенциалов — это исключает появление опасных контактных напряжений. Однако в местах рядом с элементами системы молниезащиты опасность напряжения прикосновения и шага сохраняется.

Для зданий и установок

Из-за того, что амплитуда грозовых перенапряжений многократно превышает значение напряжения в электрической сети, удар молнии может привести к выходу из строя техники и промышленных установок в радиусе до 2 км.

Кратность перенапряжения рассчитывают по формуле:
К = Umax пер / Umax раб,
где Umax пер – амплитуда перенапряжения,
Umax раб - амплитуда рабочего напряжения.

Перенапряжение, превышающее значение номинальной импульсной прочности электрооборудования, приводит к повреждениям, вплоть до полного разрушения. Помимо мощных атмосферных перенапряжений, оборудование подвергается воздействию слабых перенапряжений, вызванных высокочастотными помехами и сетевыми авариями. Для их подавления требуется установка сетевых фильтров или устранение источников помех.

Для комплексной защиты от грозовых и коммутационных перенапряжений необходимо применение специализированных средств внутренней молниезащиты – Устройств Защиты от Импульсных Перенапряжений (УЗИП).

Рисунок 3. Анализ риска в соответствии с ГОСТ Р МЭК 62305-2-2010
Тип повреждений:
D1 - Вред живым существам,
D2 - Физическое повреждение здания (сооружения) и/или линий коммуникаций,
D3 - Отказ электрических и электронных систем.
Тип потерь:
L1 - Потери, связанные с гибелью и травмированием людей,
L2 - Потери, связанные с полным или частичным разрушением общественных коммуникаций,
L3 - Потери, связанные с нанесением вреда объектам культурного назначения,
L4 - Экономические потери (потери, связанные с разрушением здания (сооружения), его части и/или нарушением или прекращением деятельности).

Раздел 3: Внешняя и внутренняя молниезащита ОБО Беттерманн

Чтобы обеспечить надёжную защиту здания, людей и оборудования, внутри необходимо создание комплексной системы молниезащиты. Требования к молниезащите в России регламентируют три основных стандарта:

• РД 34.21.122-87 - Инструкция по устройству молниезащиты зданий и сооружений,
•  СО 153-34.21.122-2003 - Инструкция по устройству молниезащиты зданий, сооружений и промышленных коммуникаций,
• Группа стандартов ГОСТ Р МЭК 62305 «Защита от молнии» - Аналог стандартов МЭК, состоящий из четырёх частей: ГОСТ Р МЭК 62305-1-2010, ГОСТ Р МЭК 62305-2-2010, ГОСТ Р 59789-2021, ГОСТ Р МЭК 62305-4-2016.

ОБО Беттерманн разрабатывает и производит компоненты как для внешней, так и для внутренней молниезащиты, а также создаёт готовые системные решения для различных типов объектов.

Внешняя молниезащита

Внешняя система молниезащиты включает в себя устройства защиты от прямых ударов молнии и в общем случае состоит из молниеприемников, токоотводов и заземлителей. Внешняя молниезащита может быть изолирована от здания (отдельно стоящие молниеотводы - стержневые или тросовые, а также соседние сооружения, выполняющие функции естественных молниеотводов), устанавливается на защищаемом сооружении или может быть его частью. К элементам системы предъявляются с точки зрения обеспечения пропускной способности (до 200 кА), механической прочности и коррозионной стойкости.

Внутренняя молниезащита

Внутренняя система молниезащиты защищает от вторичных проявлений молнии и ограничивает электромагнитные воздействия тока молнии и предотвращает искрения внутри защищаемого объекта. Ее составляющие - система уравнивания потенциалов, используемая для устранения разности потенциалов всех проводящих элементов и конструкций здания за счет объединения в общий контур, и УЗИП для ограничения переходных перенапряжений и отвода импульсов тока.

По ГОСТ IEC 61643-11-2013 для защиты низковольтных электрических сетей существуют УЗИП различных классов (I, II и III), а также комбинированные устройства, которые сочетают в себе функции нескольких отдельных классов.

• УЗИП класса I - устанавливаются на вводе линии электропитания в объект (ГРЩ, ВРУ). Предназначены для отвода большей части тока молнии (от 12,5 до 50 кА на полюс в зависимости от типа устройства), попавшего в сеть при ударе в линию электропередачи или систему молниезащиты здания. Рассчитаны на импульсные токи, эквивалентные току молнии при прямом попадании (10/350 мкс).
• УЗИП класса II - устанавливаются в распределительных щитах. Обеспечивают вторую ступень защиты, ограничивая напряжение до уровня, безопасного для большинства электроприборов. Рассчитаны на импульсные токи средней величины, характерные для наводок при ударах молнии (8/20 мкс).
• УЗИП класса III - устанавливаются перед чувствительным оборудованием, требующим дополнительной защиты. Самые маломощные из всех защитных устройств.

Установка УЗИП позволяет обеспечить безопасную эксплуатацию электрического и электронного оборудования. Одним из ключевых условий является правильный выбор устройства с точки зрения уровня напряжения защиты, т.е. максимального напряжения на выводах УЗИП в процессе его работы. Уровень напряжения защиты должен быть не более номинального выдерживаемого импульсного напряжения защищаемого оборудования, соответствующего категории перенапряжения по ГОСТ Р 50571.4.44-2019. УЗИП должны соответствовать требованиям ГОСТ IEC 61643-11-2013, в том числе выдерживать без недопустимого изменения характеристик заданные разрядные токи при подаче максимального длительного рабочего напряжения.

Раздел 4: Практические расчёты и проектирование

Расчёт параметров системы молниезащиты проводится в несколько этапов. Ниже приведена условная и упрощённая схема:

1. Определение категории (согласно РД 34.21.122-87), уровня (СО 153-34.21.122-2003) или класса (ГОСТ Р 59789-2021) системы молниезащиты

Например, в соответствии с СО 153-34.21.122-2003 существуют четыре уровня надёжности защиты:

• Уровень защиты I – надёжность 0,98
• Уровень защиты II – надёжность 0,95
• Уровень защиты III – надёжность 0,90
• Уровень защиты IV – надёжность 0,80.

2. Расчёт зон защиты молниеприёмников

Необходимо подобрать высоту и разместить молниеприёмники так, чтобы защищаемый объект полностью находился в пределах зоны защиты. Например, согласно СО для одиночного стержневого молниеприёмника высотой h радиус горизонтального сечения rx на высоте hx рассчитывается по формуле:

где r0 – радиус конуса на уровне земли,
h0 – высота конуса. 

3. Расчёт токоотводов

Определение необходимого количества, мест расположения, выбор крепёжных материалов.

4. Расчёт заземлителя

 Выбор типа – кольцевой, очаговый, фундаментный заземлитель или их комбинация и определение основных параметров (длины горизонтального или глубины вертикального заземлителей) с целью добиться необходимого сопротивления заземления (например, 10 Ом для системы молниезащиты в соответствии с ГОСТ Р 59789-2021) с учётом характеристик грунта.

5. Выбор УЗИП

УЗИП выбираются прежде всего по типу и назначению защищаемого оборудования (например, для систем электроснабжения, для контрольно-измерительного оборудования, для систем передачи данных), месту установки (ГРЩ, распределительный щит, перед оборудованием), номинальному импульсному току и уровню напряжения защиты в зависимости от чувствительности оборудования.

Комплексный подход, сочетающий надёжную внешнюю молниезащиту, служащую для минимизации последствий прямого удара, и многоуровневую внутреннюю защиту (УЗИП), обеспечивающую безопасность оборудования при электромагнитных воздействиях, является единственно верным решением.

Продукция и системные решения ОБО Беттерманн, основанные на глубоких исследованиях, строгом соответствии стандартам и многолетнем опыте, предоставляют инженерам и проектировщикам надёжный инструмент для создания эффективных барьеров на пути этой неукротимой энергии. Качественная система молниезащиты — это не какие-то необоснованные траты на формальное соблюдение норм, это инвестиции в безопасность людей, сохранность имущества и бесперебойность бизнес-процессов.