Блискавкозахист об’єктів: нормативне обґрунтування та наліз методів розрахунку

У статті проаналізовано сучасний стан вітчизняної та закордонної нормативної бази з улаштування блискавкозахисту будинків та споруд. Проведено порівняння порядку розрахунку зон захисту одиничного стрижньового блискавковідводу відповідно до вітчизняних та європейських норм.

Нормативна база з блискавкозахисту

Сьогодні в Україні основним нормативним документом з організації блискавкозахисту будівель і споруд слід вважати ДСТУ Б В.2.5-38:2008[3], чинний з 1 січня 2009 року. Вимоги цього стандарту поширюються на проектування, будівництво, реконструкцію і експлуатацію блискавкозахисту всіх видів будівель, споруд і промислових комунікацій незалежно від відомчої належності та форми власності. В деяких країнах СНД також останнім часом з явилися нові нормативні документи [4,5] на заміну РД 34.21.122-87 [6].

У той самий час на основі масштабних наукових досліджень Міжнародною електротехнічною комісією (IEC) розроблено новітні стандарти, які регламентують методи та засоби захисту будівель, споруд та електротехнічного обладнання від ураження блискавкою [7-10].

Слід зазначити, що документ [3] декларується як нееквівалентний європейськім нормам [7-10]. Але у цьому разі необхідні офіційні пояснення щодо ступеня відхилу від оригіналу. Натомість такі пояснення у тексті документа відсутні.

Аналіз методів розрахунку блискавкозахисту

За обома документами об’єкти класифікуються за блискавко захистом, вводиться поняття надійності захисту., застосовуються однакові види блискавко приймачів (одиничні, подвійні, багатократні стрижньові, тросові різної конфігурації, сітчасті), пропонуються зони захисту блискавко приймачів. Але реалізація кожного елемента різна..

За [3] об’єкти поділяються на звичайні (промислові підприємства, тваринницькі і птахівничі будівлі і споруд, житлові і адміністративні будівлі тощо) та спеціальні (нафтопереробні підприємства, заправні станції, підприємства з виробництва і зберігання вибухових речовин тощо). Для об’єктів пропонується чотири рівня захисту від прямих ударів блискавки. Для І рівня захисту надійність захисту складає від 0,99 до 0,999, для ІІ рівня – від 0,95 до 0,99, для ІІІ рівня – від 0,9 до 0,95, а для ІV – не нижче 0,85.

За вимогами табл.. 7 [7] імовірність того, що можливі параметри струму блискавки не перебільшують максимально припустимих значень для І рівня захисту, складає 0,99, ІІ рівня – 0,98, для ІІІ та ІV рівня – 0,97 (тобто рівні захисту за вказаними документами не є відповідними).

Розрахунок форми та розміру зон захисту за національним нормативним документом [3] проводиться за напівемпіричними формулами, введеними з геометричних міркувань, про що вказано у роботах [11,12].

Стандарт IEC [9] пропонує застосування методів захисного кута, сфери, що котиться, та захисних сіток. Метод захисного кута застосовується для простих за формою споруд або невеличких частин великих споруд, метод сфери, що котиться, - для споруд складної форми. Застосування захисної сітки доцільно для захисту поверхонь. Національних стандарт [3] лише вказує на можливість застосування цих методів розрахунку («rolling sphere design method» перекладено як «методо фіктивної сфери»).

Для порівняння визначимо форму та розрахуємо розміри зони захисту, наприклад, одиничного стрижньового блискавковідводу висотою 30 м. для об’єкта І рівня блискавкозахисту за напівемпіричними формулами національного стандарту [3] та за методом, що рекомендується стандартом (9). Вважаємо, що надійність захисту від прямих ударів блискавки складає 0,99.

За вимогами табл. 10 [3], зона захисту одиничного стрижньового блискавковідводу висотою h являє собою круговий конус висотою h₀ з радіусом основи r₀. Для блискавковідводу висотою h=30 м конус зони захисту для рівня надійності 0,99 має такі розміри:

h₀=0,8*h=24м; r₀=0,8*r=24 м.

Табл. 2 стандарту IEC [9] пропонує для визначення зони захисту блискавковідводу висотою h=30 м об’єкта І рівня захисту застосовувати метод сфери, що котиться, при цьому радіус цієї сфери дорівнює R=20 м.

На рис.1 для порівняння наведений вертикальний переріз зони захисту одиничного стрижньового блискавковідводу, розрахований методом, що регламентується [3] (горизонтальний штрих), та методом сфери, що котиться [9] (нахильний штрих). Видна суттєва невідповідність форми та розмірів перерізу зон захисту. Тобто метод сфери, що котиться, є більш жорсткім методом розрахунку порівняно з методом за напівемпіричними формулами національного стандарту (3).

Доказом цього ствердження є випадок, що трапився у 2003 році на одній з атомних електричних станцій України. Блискавка влучила в високовольтний трансформатор енергоблоку станції. Аналіз проектної документації підтвердив, що зони блискавкозахисту для території станції було розраховано згідно з вимогами РД34.21.122-87, які схожі на вимоги нового стандарту [3]. Розрахунок за методикою стандарту IEC 62305-3 [9] виявив наявність суттєвої незахищеної зони. Саме в цю зону і був прорив блискавки [13].

Сучасні уявлення про механізм орієнтування блискавки на об’єкт [11, 12, 15] свідчать, що метод сфери, що котиться, є найбільш вірним. Важливим аспектом цього методу, який не враховує зонний метод стандарту [3], полягає у тому, що при оцінюванні імовірності прориву блискавки беруться до уваги не тільки блискавки з великим струмом, але і такі, струм яких в межах від 3 кА до 10 кА. Саме від таких «малих» блискавок захист є найскладнішим.

Висновки

Вимоги сучасних національних норм з блискавкозахисту відрізняється від вимог міжнародних норм (стандартів IEC). Методи розрахунку, що рекомендуються міжнародними стандартами IEC, є більш жорсткими та достовірними. Таким чином, незважаючи на наявність нового національного стандарту [3], який введений в Україні з 1 січня 2009 року, гармонізація вимог норм IEC в Україні залишається актуальним завданням.

Література

1. Аналітика // Сайт МНС України www.mns.gov.ua.
2. Європейський вибір. Послання Президента України до Верховної Ради України 18 червня 2002 року // http://zakon.rada.gov.ua/.
3. {phocadownload view=file|id=1|text=ДСТУ Б В.2.5-38:2008|target=s}Інженерне обладнання будинків і споруд. Улаштування блискавкозахисту будівель і споруд (IEC 62305:2006 NEC). Введ. 01.01.2009 – К.: Мінрегіонбуд України, 2008. – 63с.
4. СО-153-24.122-2003. Инструкция по устройству молниезащиты зданий, сооружений и промышленных коммукикаций. - М.: Изд. МЭИ, 2004. - 56 с.
5. СНРК 2.04-29-2005. Инструкция по устройству молниезащиты зданий и сооружений. – Астана, 2006. – 32 с.
6. РД 34.21.122-87. Инструкция по устройству молниезащиты зданий и сооружений. – М.: Энергоатомиздат, 1989. – 56 с.
7. IEC 62305-1:2006. Protection against lightning. Part 1. General principles. – Geneva, Switzerland: Publication IEC, 2006. – 68 p.
8. IEC 62305-2:2006. Protection against lightning. Part 2. Risk management. – Geneva, Switzerland: Publication IEC, 2006. – 110 p.
9. {phocadownload view=file|id=13|text=IEC 62305-3:2006|target=s} Protection against lightning. Part 3. Physical damage to structures and life hazard. – Geneva, Switzerland: Publication IEC, 2006. – 154 p.
10. IEC 62305-4:2006. Protection against lightning. Part 4. Electrical and electronic systems, within structures. – Geneva, Switzerland: Publication IEC, 2006. – 101 p.
11. Базелян Э. М., Райзер Ю.П. Физика молнии и молниезащита. – М.: Физматгиз, 2001. – 320 с.
12. Акопян А. А. Исследование защитного действия молниеотводов // Труды ВЭИ. – М. – 1940. Т.36. С. 94 – 159.
13. Борисов Р. Н., Князев В. В., Кравченко В. И. Новые аспекты молниезащиты объектов // Техническая электродинамика. Тем. Выпуск. 2004. С. 109-112.
14. Резинкина М. М., Князев В. В., Кравченко В. И. Статистическая модель процесса ориентировки лидера молнии на наземные объекты. // Журнал технической физики, 2005. – Т.75, №9. – С. 44-51
15. Резинкина М. М., Князев В. В., Кравченко В. И. Расчетное определение вероятности поражения молнией наземных объектов / ЖТФ, 2007. – Т.77, №1. - С. 63 - 68.