Электромагнитные наводки при ударе молнии в здание

Введение

Актуальность работы выражается в том, что ссылаясь на действующие нормативные документы СО153.34.21.122-2003, РД34.21.122-87 и ГОСТ Р МЭК 62305 можно получить различия при решении задач молниезащиты, разработанная программа позволит этого избежать.

Задачей исследования является анализ проведенных расчётов, поиск решений, позволяющих защитить здание от электромагнитных наводок.

Я с уверенностью могу сказать, что для каждого человека нашей страны данная работа актуальна. Ведь строительство в городах неумолимо растёт, количество зданий и сооружений увеличивается. Соответственно увеличивается количество оборудования в этих зданиях и сооружениях, например, электрического, электронного и информационного. При ударе молнии возможны полевые наводки на подводниках и воздействие импульсных магнитных полей на оборудование; термическое воздействие тока молнии на заземляющие проводники и оболочки и экраны кабелей; обратное перекрытие с земли на жилы кабелей; поражение человека ввиду большой разницы потенциалов. Ежегодный ущерб от грозовой активности молнии оценивается сотнями миллионов рублей, поэтому ему нужно уделить должное внимание и подробно разобраться во всех нюансах. Для начала рассмотрим, какие последствия несут в себе возникающие электромагнитные наводки, и как можно обезопасить себя и оборудования от их влияния.

 Вследствие удара молнии в здание (в молниеприёмную сетку)  по токоотводам  ток молнии распределяется в землю. При этом при определенных условиях внутри здания может возникнуть импульсное перенапряжение, связанное с электромагнитными наводками, так называемыми вторичными воздействиями молнии, и с возможным возникновением высокого потенциала вследствие появления высокого напряжения на заземлении здания. Даже при наличии токоотвода такой удар может нанести серьезные повреждения электрическим и электронным системам внутри здания. Удар молнии вблизи здания, за пределами заземляющего устройства, к повреждению оборудования, защищенного различного рода защитными аппаратами и устройствами, не приводит.

От высокого потенциала заземлителя необходимо защититься с помощью установки устройства защиты от импульсных перенапряжений (УЗИП) и системы уравнивания потенциалов.

При превышении напряжения варистр, установленный внутри УЗИП, мгновенно снижает сопротивление, становится проводником и отводит импульс напряжения в землю. Защищаемое оборудование в этот момент отключается.

Линии электроснабжения, проложенные в  металлических защитных экранах в виде труб, лотков и т.п., корпус которых соединён с сеткой выравнивания потенциалов, полностью устраняют наведённое напряжение. К системе уравнивания потенциалов подключаются также водопроводные трубы, вентиляционные короба, все токопроводящие конструкции здания – металлические двери, арматура в каркасе здания и пр.

Опасный для людей эффект «шаговой разности потенциалов» устраняется покрытием с повышенным удельным сопротивлением. Такое покрытие вблизи здания, например, уложенный поверх песчаной отсыпки с гравием асфальт и/или какой-либо вариант брусчатки в дополнении к заземляющему устройству, полностью устраняет этот эффект.

Во избежание возможного подсчёта ущерба для строящихся объектов в будущем, необходимо заранее, на стадии разработки проекта выполнить необходимые расчеты, чтобы обезопасить людей и оборудование, находящихся в нём.

Расчёт уровня электромагнитного поля

Для оценок электромагнитных наводок в различных частях здания необходимо выполнить расчёты, для ускорения процесса и уменьшения количества возможных ошибок при расчётах была разработана программа расчёта. Один из листов программы для расчёта уровня электромагнитного поля и наведённой электродвижущей силы представлен на рис.1.

Рис.1. Окно программы. Лист ЭМС. Расчёт в точке

На панели данных расположены окна ввода исходных данных для расчёта. Предполагается выполнение расчёта в виде ЭДС и уровня напряжённости магнитного поля в следующих вариантах:

1. В одной выбранной точке с заданием её координат. Задать координаты можно либо относительно точки, выбранной за начало абсолютное начало координат (А14), либо относительно какого-либо локального начала координат, например, Е22. Буквами обозначаются горизонтальные линии на чертежах, цифрами – вертикальные линии. На рис.1. расчёт ведётся в точке с относительными координатами (5.32, 10.82) относительно репера Е21. Относительно начала координат (А14) они имеют вид (82.32, 76.21). Напряжённость ЭМП в единицах А/м выводится в окно вывода в виде округлённого до целого значения числа. Справа от окна вывода находится цветовой круг. Цвет этого круга имеет 512 градаций от чисто зелёного, соответствующего нулевой напряжённости магнитного поля (Н=0) до чисто красного цвета, соответствующего предельно допустимой напряжённости магнитного поля (Н=Нmax) в данной точке по действующим нормам. Напряженность Н = Нmax/2 соответствует чисто жёлтому цвету (смесь 100% красного и 100% зелёного цвета). 256 градаций цвета перехода от зелёного к жёлтому соответствуют изменению проценту добавления к неизменному количеству зелёного цвета (100%) соответствующего процента красного от нуля до 255. Цветовая гамма от желтого к красному обеспечивается уменьшение доли зелёного от 255 до нуля, что соответствует значениям Н от Hmax/2 до Hmax. В данном случае напряжённость равна 59 A/м. Цвет светофора – зелёный.

2. В прямоугольной области. В этом случае только цветовая индикация.

3. Вдоль выбранной линии. График изменения напряженности вдоль выбранной линии и линейка цветовой индикации.

Расчёт наведённой электродвижущей силы

При расчёте наведённой электродвижущей силы в каком либо замкнутом контуре имеет значение ориентация этого контура в пространстве. При вертикальных молниеотводах вертикальная составляющая электродвижущая сила отсутствует.

По закону электромагнитной индукции в замкнутом контуре возникает ЭДС, которая пропорциональна скорости изменения магнитного потока, пронизывающего контур. ЭДС и создаёт в контуре ток, препятствующий изменению магнитного потока. Индуцированную током ЭДС можно рассчитать по формуле:

                                                        (1)

Ф – магнитный поток (скалярное произведение вектора магнитной индукции на площадь контура с током);

a - угол между векторами магнитной индукции и вектором площади.

Вектор магнитной индукции в системе СИ отличается от вектора магнитной индукции множителем:

m×m0, где

m- магнитная проницаемость среды, равная для воздуха 1;

m0 – магнитная постоянная m0=4p*10^-7 генри/метр (Гн/м) – (магнитная проницаемость вакуума).

Магнитная индукция, создаваемая током Im, протекающим по одиночному бесконечному тонкому проводу, находящемуся перпендикулярно плоскости ХУ в точке с координатами Хс, Ус, в точке с координатами Х, У рассчитывается по формуле:

                                        (2)

Im – ток в амперах, m- относительная магнитная проницаемость (безразмерная величина для воздуха равна 1);

R – расстояние от проводника с током до точки пространства в которой вычисляется магнитная индукция В (в системе СИ измеряется в теслах Тл), Магнитная индукция – векторная величина, направленная перпендикулярно радиус вектору, проведённому из точки тока в точку, для которой производятся вычисления. Проекции вектора В на оси можно определить:

                                                        (3)

                                                                               (4)

Зависимости компонент магнитной индукции бесконечного проводника с током перпендикулярного плоскости ХУ, в зависимости от угла радиус вектора, отсчитываемого от оси Х против часовой стрелки, направленного из точки пересечения проводника с током и плоскости в точку на плоскости, для которой производится расчёт, представлены на графиках рис.2. и 3.

 

Рис.2. Зависимость Х-компонентов магнитной индукции В от угла радиус вектора

 

Рис.3. Зависимость У-компонента магнитной индукции В (Ву) от угла радиуса вектора

Подставляя формулу (2) в формулу (1), получаем:

  ,   (5)

где   ,                         (6)

если       брать в единицах кА/мкс, то Е получается в вольтах.

Величины индуцированной ЭДС в точках и вдоль линий представлены на рис. Расчёты проводились для средней крутизны тока 150 кА/мкс.

Заключение

Электромагнитные наводки как при прямых ударах молнии в здание, так и вблизи него, надёжно ослабляются системой токоотводов, которые разделяют ток молнии на несколько сотен частей. По каждому отдельному токоотводу протекает ток при стандартном расчётном токе молнии для 2го класса молниезащиты в 150кА не более 500А. Такой ток создаёт напряжение прикосновения не более 30В, что меньше допускаемого стандартами молниезащиты напряжения прикосновения в 50В. Электромагнитные наводки при прямом ударе молнии соответствуют допустимым для них величинам, и не должны приводить к повреждению электрического и электронного оборудования здания. Наводки в цепях питания возможно устранить с использованием экранированных кабелей, а наводки от близких ударов молнии экранируются сеткой из металлических частей токоотводов. Шаговое напряжение при ударе молнии вблизи здания устраняется созданием покрытия грунта слоем с высоким удельным сопротивлением, что соответствует действующим стандартам молниезащиты.