Проектирование молниезащиты зданий и сооружений электроустановок

ИНЖЕНЕРНО-ТЕХНИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ СИСТЕМ МОЛНИЕЗАЩИТЫ (КЛИКНИТЕ ДЛЯ УВЕЛИЧЕНИЯ)

1. Нормативная база и уровни защиты от прямых ударов молнии

Проектирование систем защиты от прямых ударов молнии (ПУМ) и вторичных проявлений грозовой активности для энергетических объектов РФ опирается на три фундаментальных документа:

1. ПУЭ-7 (раздел 4 «Распределительные устройства и подстанции») — базовые правила защиты электрооборудования ОРУ 35–500 кВ, ЗРУ и кабельных сооружений.
2. СО 153-34.21.122-2003 («Инструкция по устройству молниезащиты зданий, сооружений и промышленных коммуникаций») — актуальная классификация уровней защиты и методы расчёта пространственных зон вероятностным методом.
3. РД 34.21.122-87 — практическое руководство по расчёту геометрических зон защиты одиночных, двойных и многократных молниеотводов.

Согласно СО 153-34.21.122-2003, для каждого объекта устанавливается требуемый уровень защиты (Level of Protection, LPL) в зависимости от ущерба при аварии:

• I уровень (надежность защиты 0,98) — склады водорода, маслохозяйства, склады ГСМ и легковоспламеняющихся жидкостей, взрывоопасные помещения электростанций.
• II уровень (надежность 0,95) — открытые распределительные устройства ОРУ 110–500 кВ узловых подстанций, главные щиты управления (ОПУ), закрытые распредустройства (ЗРУ).
• III уровень (надежность 0,90) — понизительные подстанции ПС 35/10(6) кВ, промышленные производственные корпуса, компрессорные станции.
• IV уровень (надежность 0,80) — вспомогательные хозяйственные постройки, склады негорючих материалов и ограждающие периметры.

2. Выбор типа молниезащиты: сетка, тросы или стержни

Выбор защитных конструкций определяется архитектурно-строительными параметрами зданий, габаритами оборудования и среднегодовой продолжительностью гроз. Для открытых подстанций и ЗРУ защита обязательна при среднегодовой грозовой активности более 20 часов в год (для районов с малой грозовой активностью менее 20 ч/год требования смягчаются согласно ПУЭ п. 4.2.133).

Применение молниеприемных сеток и кровельной защиты

Для закрытых зданий ЗРУ, насосных и ОПУ тип молниеприемника выбирается по конструктиву кровли:

• Металлические кровли: допускается использовать саму кровлю в качестве молниеприемника при условии, что толщина стального листа составляет не менее 4 мм (для исключения сквозного прожига дугой молнии) и под ней отсутствуют легковоспламеняющиеся изоляционные материалы.
• Неметаллическая кровля (мягкая, мембранная, бетонная): укладывается молниеприемная сетка из стального оцинкованного кругляка диаметром 8–10 мм.
  • Для II уровня защиты (РД 34.21.122-87): размер ячейки не более 6×6 м.
  • Для III уровня защиты: размер ячейки не более 12×12 м (площадь до 150 м²).
• Железобетонные конструкции: арматурный каркас плит перекрытия и колонн используется как молниеприемник и естественный токоотвод только при обеспечении непрерывной электрической связи (сварка стыков) и фиксации заземляющих выпусков.

Стержневые и тросовые молниеотводы

Для открытых распределительных устройств (ОРУ) 35 кВ и выше применение сеток конструктивно невозможно из-за высоких габаритов ошиновки и силовых трансформаторов. В рамках комплексного проектирования подстанций и электросетевых объектов здесь применяются:

1. Отдельно стоящие стержневые молниеотводы: устанавливаются на периферии ОРУ или на специальных фундаментах вблизи силовых трансформаторов и автотрансформаторов, исключая распространение волн перенапряжения по металлоконструкциям порталов.
2. Молниеотводы, совмещённые со стойками порталов ОРУ и прожекторными мачтами: допускаются к установке на конструкциях ошиновки 110 кВ и выше при соблюдении путей растекания тока молнии до общего контура заземления. Подробнее о несущих конструкциях ошиновки см. в разделе стальные порталы ОРУ 35–500 кВ.
3. Тросовые молниеотводы: стальные канаты ТК-9.1 или современные сталеалюминиевые грозотросы со встроенным оптическим кабелем (ОКГТ), подвешиваемые на тросостойках ячейковых и шинных порталов над пролётами ошиновки.

3. Методика и формулы расчёта зон защиты стержневых молниеотводов

Зона защиты одиночного стержневого молниеотвода высотой h представляет собой круговой конус с вершиной на высоте h₀ < h и основанием на уровне земли радиусом r₀. Расчёт геометрических параметров для зон надежности 0,92 (тип Б) и 0,98 (тип А) по РД 34.21.122-87 и СО 153-34.21.122-2003 производится по формулам:

Где:

• h — полная высота молниеотвода от планировочной отметки земли до вершины стержня, м;
• h₀ — расчетная высота вершины конуса защитной зоны, м;
• r₀ — радиус защитной зоны на отметке поверхности земли (hₓ = 0), м;
• hₓ — высота защищаемого сооружения или аппарата (бака трансформатора, изолятора, ошиновки), м;
• rₓ — горизонтальный радиус зоны защиты на высоте hₓ, м.

При высоте стержня h ≤ 30 м упрощённо принимают:

Если защищаемый объект (например, площадка ОРУ) не перекрывается одним молниеотводом, проектируется группа из двух и более стержней. Расстояние между ними L выбирается так, чтобы провисание границы зоны защиты между молниеотводами h_c на высоте hₓ надежно перекрывало верхний пояс оборудования:

4. Конструктивные решения завода «Энерго-1»: молниеотводы МС и мачты ПМС

Завод «Энерго-1» серийно производит сертифицированные отдельно стоящие молниеотводы и прожекторные мачты для подстанций и промышленных предприятий по типовым проектам серии 3.407.9-172 («Прожекторные мачты и отдельно стоящие молниеотводы») и индивидуальным чертежам КМД:

1. Молниеотводы отдельно стоящие серии МС:

   • Стержневые конструкции решётчатого пирамидального типа высотой от 15 до 40 метров (МС-15, МС-20, МС-25, МС-31.7, МС-40.2).
   • Изготавливаются из равнополочного углового проката сталей Ст3сп5 (климатические районы с t ≥ −40 °C) или низколегированной стали повышенной прочности 09Г2С / С345 (северное исполнение по ГОСТ 19281-2014 с гарантией ударной вязкости при t = −60 °C).
   • Антикоррозийная защита: горячее цинкование методом погружения в ванну с расплавом цинка по ГОСТ 9.307-89 с толщиной защитного слоя 80–120 мкм, обеспечивающее безаварийную службу без повторной покраски более 35 лет.

2. Прожекторные мачты с молниеотводами серии ПМС:

   • Комбинированные инженерные сооружения (ПМС-18.4, ПМС-24, ПМС-29.3, ПМС-32.5), решающие двойную задачу: молниезащита ОРУ и размещение мощных прожекторов заливающего освещения территории подстанции.
   • Комплектуются переходными лестницами с защитными ограждениями, смотровыми площадками и тросостойками молниеприёмников.

5. Требования к заземлению и импульсному сопротивлению

Эффективность молниезащиты напрямую зависит от импульсного сопротивления заземляющего устройства (ЗУ). Согласно ПУЭ-7 (п. 1.7.55, 4.2.137) и СО 153-34.21.122-2003:

• Импульсное сопротивление растеканию тока молнии отдельно стоящего молниеотвода должно составлять не более 10 Ом при удельном сопротивлении грунта до 500 Ом·м. При более высоком удельном сопротивлении грунта допускается увеличение сопротивления заземлителя по специальной формуле ПУЭ с обязательным устройством лучевых горизонтальных электродов.
• Заземлители отдельно стоящих молниеотводов ОРУ должны иметь не менее двух-трех вертикальных электродов длиной 3–5 м, объединенных горизонтальной оцинкованной полосой 40×4 мм, уложенной на глубине 0,7–0,8 м.
• Расстояние в земле между заземлителем отдельно стоящего молниеотвода и общим заземляющим контуром подстанции должно быть не менее:
  S_земля ≥ 0,2 · R_имп ≥ 3 метра
• Расстояние по воздуху от стойки отдельно стоящего молниеотвода до ошиновки и токоведущих частей ОРУ должно исключать пробой воздушного промежутка и составлять не менее 5 метров для ОРУ 110 кВ.

6. Учёт экстремальных климатических нагрузок по СП 20.13330.2016

Проектирование молниезащиты не ограничивается расчётом геометрических зон перекрытия: отдельно стоящие молниеотводы МС высотой до 40 м и совмещённые прожекторные мачты ПМС представляют собой высокие гибкие башенные сооружения, подверженные интенсивным динамическим нагрузкам. Согласно СП 20.13330.2016 («Нагрузки и воздействия»), прочностной расчёт конструкций молниеотводов в обязательном порядке включает:

1. Нормативное и расчётное ветровое давление (п. 11.1.4) с учётом ветрового района площадки строительства и коэффициента изменения давления по высоте $k(z)$ для соответствующего типа местности (A, B или C).
2. Пульсационную составляющую ветровой нагрузки (п. 11.1.8) — динамическое воздействие турбулентных порывов ветра, определяемое с учётом первой и высших форм собственных колебаний решётчатого ствола мачты.
3. Проверку на вихревое возбуждение и аэродинамический резонанс (п. 11.1.11 и Приложение В): при критических скоростях ветра периодический срыв вихрей с элементов ствола может вызывать резонансные поперечные колебания («ветровой резонанс»), приводящие к усталостному разрушению поясных уголков и болтовых соединений.
4. Гололёдные нагрузки (раздел 12) — расчёт утяжеления решётки конструкции и тросовых молниеприёмников при образовании гололёдно-изморозевых отложений в сочетании со скоростным напором ветра.

Стали 09Г2С и С345 выбирают по расчётной прочности, свариваемости и климатическому исполнению: марка стали не заменяет проверку коррозионной стойкости. Долговечность конструкций обеспечивается горячим цинкованием по ГОСТ 9.307-89, а при монтаже гарантируется непрерывность токоотводов и надежная металлосвязь с заземлителем.

7. Исходные данные для проектирования молниезащиты

Для разработки проектных решений и математического моделирования зон защиты инженерно-техническому отделу требуются следующие исходные данные:

• Генеральный план объекта (ГП) с экспликацией зданий, сооружений, компоновкой оборудования ОРУ и указанием их точных высотных отметок.
• Среднегодовая продолжительность гроз (в часах) по карте районирования РФ (ПУЭ-7, рис. 2.5.2) или данным локальной метеостанции для расчёта ожидаемой плотности ударов молнии в землю $N_g$.
• Отчёт об инженерно-геологических изысканиях: удельное электрическое сопротивление грунта $\rho$ (Ом·м), сезонный коэффициент промерзания, уровень грунтовых вод и коррозионная агрессивность среды для расчёта заземлителей.
• Категория взрывопожарной и пожарной опасности помещений (по СП 12.13130.2009) и требуемый класс надёжности защиты (LPL I–IV по СО 153 или категории I–III по РД 34).
• Сведения о технологическом оборудовании: наличие микропроцессорных терминалов РЗА, АСУ ТП, слаботочных цепей для проектирования защиты от вторичных проявлений молнии (экранирование, зоны LPZ по ГОСТ Р МЭК 62305, УЗИП).

8. Этапы проектирования и состав проектной документации

Проектирование систем молниезащиты и заземления выполняется в соответствии с требованиями Постановления Правительства РФ № 87 и включает следующие стадии:

1. Предпроектная проработка и технико-экономический анализ:
   • Определение категорий защиты и построение предварительных зон рассеяния;
   • Выбор компоновочной схемы: отдельно стоящие молниеотводы МС, молниеприемники на порталах или тросовая защита.
2. Разработка проектной документации (Стадия «П»):
   • Раздел ТКР (Технологические и конструктивные решения) или подразделы ИОС (Система электроснабжения): пояснительная записка с нормативным обоснованием решений;
   • Расчётный формуляр: расчёт плотности ударов молнии, расчёт зон защиты стержней и тросов, проверочный расчёт шагового напряжения и потенциалов на заземлителе;
   • Графическая часть: планы молниезащиты с нанесёнными горизонтальными и вертикальными сечениями зон защиты, схемы раскладки заземляющего контура, узлы уравнивания потенциалов.
3. Разработка рабочей документации (Стадия «Р»):
   • Кабельные журналы, спецификации оборудования, изделий и материалов (СО);
   • Деталировочные чертежи конструкций молниеотводов марки КМ/КМД (для индивидуальных серий) и фундаментов марки КЖ;
   • Технологические карты на монтаж токоотводов, изоляторов и измерительных колодцев контура заземления.

Часто задаваемые вопросы по молниезащите (FAQ)