1.4 Классификация молниезащиты и оценка рисков

    Техническое руководство

      1.4.1. Источники повреждений, причины повреждений, типы потерь

     В зависимости от места точки поражения молнией учитывают четыре ситуации повреждений   S1-S4 (таблица 1.4.1.1).

     S1 – прямой удар молнии в здание.
     При прямом ударе молнии во внешнюю систему молниезащиты (молниеотвод) или заземленные сооружения на крыше, способные выдержать нагрузку по току молнии (например, наружная антенна, установленная на крыше), энергия молнии может быть надежно отведена к потенциалу земли.
     Однако одним молниезащитным устройством дело не ограничивается: в результате полного электрического сопротивления заземляющей установки вся заземляющая система здания испытывает воздействие высокого потенциала.
     Это повышение потенциала дает распределение токов молнии по системе заземления здания, а также по системам электропроводки и линиям передачи данных к соседним системам заземления (соседние здания, низковольтный трансформатор и т.п.).
     При прямом ударе молнии возникает опасность гибели людей (L1); потери возможности предоставления услуг населению (L2) – телефонная связь, кабельное телевидение, интернет и т.п.; риск пожара на объектах культурного наследия (музеи, театры) (L3) и потери экономических благ (имущество) (L4).
     Система молниезащиты предохраняет здания и людей от прямых импульсов молний.

     S2 – удар молнии вблизи здания и ввода электроснабжения в радиусе до 2-х км.
     В результате близкого удара молнии создаются высокие магнитные поля, которые, в свою очередь, индуктируют высокие пики напряжений в проводящих сетях. В радиусе до 2-х км от точки удара молнии индуктивные и гальванические связи приводят к повреждениям оборудования. В результате перенапряжений возникают неисправности в электрических и электронных системах, происходит их разрушение.
     Устройства защиты от молний и перенапряжений должны защитить от неконтролируемых пробоев и связанного с этим
риска возникновения пожара.

     S3 – прямой удар молнии в питающую линию.
     Прямой удар молнии в низковольтную воздушную линию или линию передачи данных может привести к проникновению высоких токов молнии в здание, подключенное к этой линии. Особая опасность перенапряжения возникает для электрического оборудования на конце низковольтных воздушных линий.
     Степень риска зависит от вида присоединения экранирования к системе уравнивающих потенциалов (степень риска также сильно снижается, если линия не воздушная, а подземная). За счет подходящих устройств защиты от молнии и импульсных перенапряжений происходит уравнивание энергии импульса молнии на входе в здание.

     S4 – удар молнии рядом с питающей линией
     За счет близости удара молнии в линиях индуктируются импульсные перенапряжения. Далее, в результате процессов включения и выключения индуктивных и емкостных нагрузок, а также прерывания токов короткого замыкания, создаются коммутационные перенапряжения. В частности, отключение производственного оборудования, систем освещения или трансформаторов может привести к повреждениям электрических приборов, расположенных вблизи них. Коммутационные и индуктивные перенапряжения в линиях обуславливают большую часть повреждений.   

     Причины повреждений

     В зависимости от характеристик защищаемого здания (сооружения) удар молнии может нанести повреждения D1-D3 (табл. 1.4.1.1 и 1.4.1.2). Некоторые из самых важных характеристик:
     ›› тип здания (сооружения);
     ›› его содержимое и назначение здания (сооружения);
     ›› тип линий коммуникаций;
     ›› установленные меры защиты.

     Типы потери 

     Каждый тип повреждения (D1-D3), один или в сочетании с другими, может привести к различным прямым и косвенным потерям в защищаемом здании (сооружении) - L1-L3 (табл. 1.4.1.1 и 1.4.1.2).

       1.4.2 Класс молниезащиты

     Уровень молниезащиты зависит от:
     ›› назначения здания (сооружения);
     ›› присутствия людей в здании (сооружении);
     ›› общих размеров здания (если здание имеет сложную форму, рассчитывают ширину и длину прямоугольника, в который ее можно вписать);
     ›› наличие пожаро- и взрывоопасных помещений;
     ›› степени огнестойкости здания;
     ›› местонахождения здания.
     Определение класса молниезащиты происходит на основе данных о здании, а также через анализ рисков поражения молнией в данной местности. На основании расчета рисков выбирается один из 4-х классов молниезащиты (табл. 1.4.2.1).
     Для каждого класса защиты определены фиксированные минимальные и максимальные параметры тока молнии. Они могут быть использованы при проектировании компонентов защиты (например, при выборе сечения проводников, толщины защитных экранов, раздельного интервала, устройств защиты от перенапряжений) и определения параметров моделирования воздействия молнии при проведении испытаний оборудования молниезащиты.

ъ

      1.4.3 Управление рисками

      1.4.3.1 Основы анализа рисков
     Риск R - это значение вероятного годового ущерба. Риск R является значением возможных средних потерь в год, рассчитанных с учетом количества и вероятности появления опасных событий. Для каждого типа потерь должна быть проведена оценка соответствующего риска:
     R₁ - риск гибели или травмирования людей;
     R₂ - риск невозможности предоставления услуг населению и частичного или полного разрушения общественных коммуникаций;
     R₃ - риск нанесения вреда объектам культурного назначения;
     R₄ - риск экономических потерь оценивается при принятии решения о целесообразности молниезащиты на основе экономического анализа.
     Для оценки риска R должны быть определены и вычислены соответствующие компоненты риска (в зависимости от источника и типа повреждений). Все риски являются суммой нескольких компонентов R_X:

     В зависимости от типа потерь, риск R содержит разные компоненты R_X (табл. 1.4.3.1):

     ^∗a Только для зданий (сооружений), в которых существует опасность возникновения взрыва, а также для больниц и других зданий (сооружений), где отказ внутренних и внешних систем может привести к опасности гибели или травмирования людей.
    ^∗b Только для зданий (сооружений), в которых возникает опасность гибели или травмирования животных.
     

     Компоненты риска R_X при ударе молнии в здание (сооружение) (S1):
     R_А - компонента риска нанесения вреда живым существам в результате поражения электрическим током при ударе молнии в здание (сооружение), или при скачке напряжения на расстоянии до 3 м от токоотвода. Возможны повреждения L1, L4.
     R_В - компонента риска физического повреждения здания (сооружения), вызванного искрение, что может привести к пожару или взрыву. В этом случае могут возникнуть все типы потерь - L1, L2, L3, L4.
     R_С - компонента риска отказа внутренних систем, вызванного электромагнитным импульсом при ударе молнии. Потери типа L2 и L4 могут произойти во всех случаях вместе с потерями типа L1 для здания (сооружения) с опасностью возникновения взрыва, а также для больниц и других зданий, где отказ внутренних систем сразу создает опасность гибели или травмированию людей.
     R_М - компонента риска при ударе молнии в почву вблизи здания (сооружения) (S2), идентична R_С.
Компоненты риска при ударе молнии в линию питания или информационных коммуникаций (S3):
     R_U - компонента риска нанесения вреда живым существам в результате поражения электрическим током при перенапряжении или скачке напряжения внутри здания (сооружения). Возможны повреждения типа L1, а в сельской местности и L4, если погибнут сельскохозяйственные животные.
     R_V - компонента риска физического повреждения здания от пожара или взрыва, вызванных током молнии, приведенным через входные линии. Могут возникнуть все типы потерь D1 - D4.
     R_W - компонента риска отказа внутренних систем, вызванного скачками напряжения в вводных линиях. Потери типа L2 и L4 могут произойти во всех случаях, кроме того, возможны потери типа L1 для здания (сооружения) с опасностью возникновения взрыва, а также для больниц и других зданий, где отказ внутренних систем сразу создает опасность гибели или травмированию людей. При этом удар молнии в трубопровод или вблизи него не рассматривается, поскольку трубы должны быть соединены с шиной заземления. Если такое соединение отсутствует, тогда угроза повреждений должна быть
рассмотрена.
     R_Z - компонента риска при ударе молнии вблизи вводной линии питания или информационных коммуникаций (S4) идентична R_W.

          Расчет компонентов риска R_А - R_Z проводится по общей формуле:

     где

N_X - количество опасных событий за год, что зависит от плотности ударов молнии NG, физических характеристик самого объекта, окружающей среды, коммуникаций, свойств почвы;
P_X - вероятность нанесения ущерба, что зависит от характеристик защищаемого объекта, и принятых мер защиты;
L_X - косвенные потери, зависящие от назначения защищаемого, присутствия людей или персонала, типа услуг, стоимости товаров и оборудования.

     Формулы расчета компонентов риска R_X в зависимости от источника и типа повреждения приведены в таблице 1.4.3.3.

     Следовательно, функция анализа риска заключается в определении трех параметров N_X, P_X и L_X для всех соответствующих компонентов риска R_X. Сравнение риска R (суммы компонентов R_X) с допустимым риском R_T позволяет определить набор необходимых мер молниезащиты.

       1.4.3.2 Определение количества опасных событий N_X
     Среднее количество опасных событий в год N_X, возникающих вследствие ударов молнии, зависит от грозовой активностирегиона, где расположено здание (сооружение), и его физических характеристик. Для расчета значения N_X обычно умножают плотность ударов молнии в землю N_G на эквивалентную площадь области защиты объекта и поправочный коэффициент, учитывающий физические характеристики здания (сооружения):

    где

N_G - плотность ударов молнии в землю;
A - эквивалентная площадь области защиты;
C - поправочный коэффициент.

     Плотность ударов молнии в землю N_G — это количество ударов молнии на 1 км² в год. Это значение определяют на основе данных метеорологических наблюдений. Данные для России приведены на рис. 1.4.3.1
     Эквивалентная площадь области защиты - это площадь зоны, которая находится под угрозой при непосредственном или очень близком ударе молнии. Для зданий (сооружений) на равнинной местности область защиты A_D представляет собой область, отсекаемую на поверхности земли конусом, образованным вращением прямой, проходящей через самые высокие точки здания (сооружения) под углом к вертикали. Угол между вертикалью и образующей конуса должен быть таким, чтобы высота конуса относилась к радиусу основания, как 1:3 (рис. 1.4.3.2).

Рис. 1.4.3.1 - Среднее число дней с грозами (в год)

     Для прямоугольного здания (сооружения) длиной L, шириной W и высотой H на равнинной местности площадь области защиты равна

     где, L,W,H - указываются в метрах.
     В случае, когда здание (сооружение) имеет сложную форму расчет проводят графическим методом. Областью защиты в этом случае будет являться объединенная фигура, состоящая из всех отдельных рассчитываемых частей.
     Количество опасных событий вследствие удара молнии в здании (сооружение) рассчитывается по формуле:

     где

     C_D - коэффициент, характеризующий рельеф местности (табл 1.4.3.4).

     _{Количество опасных событий вследствие удара молнии в соседнее здание (сооружение) рассчитывается по формуле:}

     _где

A_DJ - область защиты А_D для соседнего здания (сооружения) (рис. 1.4.3.3);
C_DJ - коэффициент C_D (табл. 1.4.3.4) для соседнего здания (сооружения), характеризующий рельеф местности (табл 1.4.3.4).

     _{Количество опасных событий вследствие удара молнии вблизи здании (сооружения) рассчитывается по формуле:}

     _где

^AМ _{- область защиты при ударе вблизи здания (рис. 1.4.3.3), ограничена расстоянием 500 м от здания.}

     _{Количество опасных событий вследствие удара молнии в линию коммуникаций рассчитывается по формуле:}

    _где

A_{L - область защиты линии коммуникаций. Определяется по формуле AL = 40 × LL (рис. 1.4.3.3);}

C_{I - коэффициент, характеризующий тип прокладки линий коммуникаций (табл 1.4.3.5);}
C_{T - коэффициент, характеризующий тип линий коммуникаций (табл 1.4.3.6);}
C_{E - коэффициент, характеризующий тип среды прокладки линии коммуникаций (табл 1.4.3.7).}

            _{Значение вероятности} P_{A поражения электрическим током живых существ вследствие скачка электрического тока или напряжения, вызванных ударом молнии в здание (сооружение), и зависит от применяемых LPS и дополнительных мер защиты.
     Значение} P_{A рассчитывают по формуле:}

     где

P_TA - вероятность, зависящая от наличия дополнительных мер защиты (табл. 1.4.3.8);
P_B - вероятность физического повреждения здания (сооружения) при ударе молнии.

     Вероятность P_В физического повреждения здания (сооружения) при ударе молнии зависит от класса молниезащиты. Значения P_B в зависимости от класса молниезащиты указаны в таблице 1.4.3.9.
     Вероятность P_C отказа внутренних систем при ударе молнии в здание (сооружение) рассчитывается по формуле:

     где

P_SPD - значение вероятности из таблицы 1.4.3.10;
C_LD - коэффициент, зависящий от особенностей экранирования, заземления и изоляции линий коммуникаций, с которыми связаны внутренние системы (табл. 1.4.3.11).

     Вероятность Р_М отказа внутренних систем вследствие удара молнии зависит от принятых мер LPM.
     Для снижения значения Р_М в качестве мер защиты наиболее подходят следующие меры: использование метода молниеприемной сетки при проектировании молниезащиты; экранирование; соблюдение мер предосторожности при выборе и прокладке трассы для проводки; применение материалов, выдерживающих более высокое напряжение, изолирующих средств и системы устройств защиты от импульсных перенапряжений.

     Вероятность Р_М отказа внутренних систем рассчитывается по формуле:

     где

P_SPD - значение вероятности из таблицы 1.4.3.10.

     Для внутренних систем с оборудованием, не обладающим уровнем сопротивления и устойчивости к напряжениям, установленным в соответствующих стандартах на продукцию, значение вероятности P_M должно быть принято равным 1 (P_M = 1).
     Значение вероятности PMS рассчитывается по формуле:

     где

K_S1 - коэффициент, характеризующий эффективность экранирования здания (сооружения), LPS или других мер защиты в пределах зон LPZ 0/1;
K_S2 - характеризующий эффективность экранирования внутренних систем здания (сооружения) в пределах зон LPZ X/Y (X > 0, Y > 1);
K_S3 - коэффициент, значение из таблицы 1.4.3.12;
K_S4 - коэффициент, характеризующий выдерживаемое импульсное напряжение защищаемой системы.

     Внутри зоны защиты от молнии на безопасном расстоянии от границ защитного экрана, равном шагу сетки w_m или более, коэффициенты K_S1 и K_S2 для LPS или экрана из пространственной сетки могут быть рассчитаны следующим образом:

     где

w_m1, w_m2 - размер шага сетки пространственного экрана, или типовой ячейки LPS токоотвода, или интервал между металлическими столбами здания (сооружения), или интервал между железобетонными балками конструкции, действующими как естественные компоненты системы LPS. Указываются в метрах.

     Для сплошного металлического экрана толщиной не менее 0.1 мм

     Коэффициент K_S4 рассчитывается по формуле:

     где

U_W - номинальное выдерживаемое импульсное напряжение защищаемой системы, кB.

     Коэффициент K_S4 не может принимать значение более 1.
     Значение вероятности P_U нанесения вреда живым существам вследствие удара молнии в линии коммуникаций, подведенные в здание (сооружение), зависит: от характеристик экранирования коммуникаций; выдерживаемого напряжения внутренних систем, связанных с коммуникациями, обычных защитных мер (физические ограничения, предупредительные надписи, изолирующие средства и набор устройств защиты от импульсных перенапряжений, обеспечивающий выравнивание потенциалов на концах линий коммуникаций) в соответствии с ДСТУ EN 62305-3.
     

     Значение P_U рассчитывают по формуле:

     где

P_TU - вероятность, характеризующая меры защиты живых существ от поражения электрическим током, такие как физические ограничения и предупредительные надписи (табл. 1.4.3.13);
P_EB - вероятность, характеризующая уравнивание потенциалов (EB) в соответствии с ДСТУ EN 62305-3 и уровень защиты от молнии (LPL), для которого разработаны эти устройства защиты от импульсных перенапряжений (табл. 1.4.3.14);
P_LD - вероятность, характеризующая отказ внутренних систем вследствие удара молнии в линии коммуникаций, вызвавшего изменения характеристик этих линий (табл. 1.4.3.15);
C_LD - коэффициент, характеризующий особенности экранирования, заземления и изоляции коммуникаций (табл. 1.4.3.11).

     Значение вероятности P_V физического повреждения здания (сооружения) вследствие удара молнии в линии коммуникаций зависит от характеристик экранирования линий коммуникаций, выдерживаемого импульсного напряжения внутренних систем, изолирующих средств и устройств защиты от импульсных перенапряжений, обеспечивающих выравнивание потенциалов на вводе линий коммуникаций в соответствии с ДСТУ EN 62305-3.

     Значение P_U рассчитывают по формуле:

     где

P_EB - вероятность, характеризующая уравнивание потенциалов (EB) в соответствии с ДСТУ EN 62305-3 и уровень защиты от молнии (LPL), для которого разработаны эти устройства защиты от импульсных перенапряжений (табл. 1.4.3.14);
P_LD - вероятность, характеризующая отказ внутренних систем вследствие удара молнии в линии коммуникаций, вызвавшего изменения характеристик этих линий (табл. 1.4.3.15);
C_LD - коэффициент, характеризующий особенности экранирования, заземления и изоляции коммуникаций (табл. 1.4.3.11).

     Значение вероятности P_W отказа внутренних систем вследствие удара молнии в линии коммуникаций, входящие в здание (сооружение), зависит от характеристик экранирования линий коммуникаций, выдерживаемого напряжения внутренних систем, связанных с линиями коммуникаций, изолирующих средств и системы устройств защиты от импульсных перенапряжений.
     Значения P_W рассчитывают по формуле:

<p style="text-align: left