Вероятная оценка пожароопасных отказов в электротехнических устройствах

В ГОСТ 12.1.004-91 «Пожарная безопасность. Общие требования» условие пожаробезопасности электротехнического изделия оценивается в соответствии с выражением

Qп = QпрQпзQнзQв ≤ 10-6,                                 (1)

 

где Qп – вероятность возникновения пожара, 1/год;      

 Qпр – вероятность возникновения характерного пожароопасного режима в составной части изделия (возникновения короткого замыкания, перегрузки, повышения переходного сопротивления), 1/год;       

Qпз – вероятность того, что значение характерного электротехнического параметра (тока, переходного сопротивления) лежит в диапазоне пожароопасных значений, 1/год;

Qнз – вероятность несрабатывания аппарата защиты (электрической, тепловой), 1/год;

Qв - вероятность достижения горючим материалом критической температуры или его воспламенения, 1/год.

Объективным показателем оценки пожарной опасности электрических изделий является вероятность возникновения пожара, учитывающая как возникшие пожары, так и количество изделий данного вида, находящихся в эксплуатации. Фактическая вероятность возникновения пожаров от электротехнических изделий определяется по формуле:

 

Q = n / N,                                            (2)

 

где n – количество пожаров в год от изделий определенного вида;

N – количество изделий определенного вида, находящихся в эксплуатации.

Вероятность воспламенения электротехнического изделия определяется следующим выражением                                    

 Qвэ = [ 1- (1 – Qэ) (1 – Qм)] Qнз,                         (3)

где Qэ – вероятность возникновения пожара, определяемая комплектующими элементами электротехнического изделия;      

 Qм – вероятность возникновения источника зажигания, обусловленная конструктивными особенностями и технологией изготовления электротехнического изделия;

Qнз – вероятность несрабатывания аппарата защиты электротехнического изделия.

 

Тема 7. АППАРАТЫ ЗАЩИТЫ ЭЛЕКТРОУСТАНОВОК

 

7.1 Плавкие предохранители

 

Согласно ГОСТ Р МЭК 60269-1-2010, плавкий предохранитель - устройство, которое за счет расплавления одного или нескольких своих элементов, имеющих определенную конструкцию и размеры, размыкает цепь, в которую оно включено, отключая ток, превышающий заданное значение в течение определенного времени. Плавкие предохранители защищают электроустановки от длительных токов перегрузки и токов короткого замыкания. По конструкции плавкие предохранители подразделяются на три типа.

1. Пластинчатые предохранители. Представляют собой одну или несколько проволок, впаянных в медные или латунные плоские наконечники. При перегорании вставки происходит разбрызгивание расплавленного металла, что создает пожарную опасность, поэтому применение их ограничено.

2. Пробочные предохранители. К ним относятся однополюсные предохранители типов Ц27, Ц33, ПД, ПДС и др. Они состоят из основания (фарфорового, пластмассового) с контактной гильзой и резьбовой пробки с плавкой вставкой.

3. Трубчатые предохранители. Состоят из патрона с контактными ножами на концах и плавкой вставки, расположенной внутри. К ним относятся предохранители типа ПР с разборными фибровыми трубками без наполнителя, а также закрытые с мелкозернистым наполнителем, которые могут быть разборные (типа ПН2, НПР, КП и др.) и неразборные (типа НПН).

 Процесс гашения дуги в плавком предохранителе ПР-2 происходит следующим образом. При отключении сгорают суженные перешейки плавкой вставки, после чего возникает дуга. Под действием высокой температуры дуги фибровые стенки патрона выделяют газ, в результате чего давление в патроне за поднимается до 4 - 8 МПа. За счет увеличения давления поднимается вольтамперная характеристика дуги, что способствует ее быстрому гашению.

Плавкие вставки в предохранителях ПР-2 изготавливаются из цинка и имеют переменное сечение Эти предохранители обладают рядом недостатков: их разрывная способность мала для современных промышленных установок, защитная характеристика нестабильна, так как сопротивление контакта вставки с ножами патрона зависит от степени затяжки болтов. Предохранители велики по размерам, недостаточно надежны (прогорают фибровые корпуса) и дорогостоящи.

В предохранителях с наполнителем в качестве наполнителя используется кварцевый песок с содержанием SiO₂ не менее 98 %, с зернами размером (0,2 - 0,4)^10-3 м. Зерна кварцевого песка имеют высокую теплопроводность и хорошо развитую охлаждающую поверхность. Раскаленные и ионизированные газы, образующиеся после испарения плавкой вставки, проникая в промежутки между зернами наполнителя и соприкасаясь с поверхностью последних, деионизируются.

Капельки металла, разбрызгиваясь в стороны и проникая в глубь наполнителя, конденсируются на его поверхности. Зерна наполнителя хорошо поглощают тепло, охлаждают газы и тем самым резко снижают давление в патроне в момент испарения вставки. Предохранители ПН-2 более совершенны, чем предохранители ПР-2. Корпус квадратного сечения предохранителя изготавливается из прочного фарфора. Внутри корпуса расположены ленточные плавкие вставки и наполнитель - кварцевый песок.

Плавкая вставка предохранителей ПН-2 выполняется из медной ленты толщиной 0,1 - 0,2 мм. Для получения токоограничения вставка имеет суженные сечения. Плавкая вставка разделена на три параллельных ветви для более полного использования наполнителя. Применение тонкой ленты, эффективный теплоотвод от суженных участков позволяют выбрать небольшое минимальное сечение вставки для данного номинального тока, что обеспечивает высокую токоограничивающую способность.

Соединение нескольких суженных участков последовательно способствует замедлению роста тока после плавления вставки, так как возрастает напряжение на дуге предохранителя. Для снижения температуры плавления на вставки наносятся оловянные полоски (металлургический эффект).

В зависимости от температуры плавления плавкие вставки делятся на легкоплавкие и тугоплавкие. Легкоплавкие вставки обычно изготовляют из олова, свинца, цинка и алюминия. Они обладают большой теплопроводностью и большой тепловой инерцией, в связи с чем более удобны для защиты от токов перегрузки, так как позволяют получить большую выдержу времени. Однако масса вставки из этих металлов при одинаковом номинальном токе больше, чем масса вставки из тугоплавких металлов. Это снижает разрывную способность предохранителя.

Тугоплавкие вставки изготовляют из меди и серебра. Они обладают малой теплопроводностью и малой тепловой инерцией, дают меньшую выдержу времени при перегрузках. Существенным недостатком таких вставок является высокая температура их плавления. При длительном токе, меньшем чем ток плавления, вставки могут нагреваться до температуры выше 900 оС. Такой высокий и длительный нагрев может привести к чрезмерному перегреву контактной системы и корпуса предохранителя и вызвать их разрушение. Однако применение тугоплавкие вставок повышает разрывную способность предохранителей. Основные параметры плавких предохранителей:

1) номинальное напряжение U н.пр - напряжение, на которое рассчитан предохранитель, указывается на корпусе;

2) номинальный ток плавкой вставки I н.вст - ток, который выдерживает плавкая вставка не расплавляясь, указывается на вставке;

3) номинальный ток предохранителя I н.пр - ток, на который рассчитаны токоведущие части предохранителя, равный наибольшему из номинальных токов плавких вставок, предназначенных для данного предохранителя.

7.2 Автоматические выключатели

 Автоматические выключатели (автоматы) предназначены для автоматического отключения электрических цепей при возникновении в них перегрузок и коротких замыканий, при исчезновении или снижении напряжения ниже нормы, а также для нечастых включений и отключений цепей в нормальных режимах. Автоматические выключатели различаются: - по роду тока - постоянного и переменного; - по типу встраиваемых расцепителей - максимального тока, минимального тока, минимального напряжения и т.п.; - по номинальному току автомата;

- по номинальному току расцепителя;

 - по числу полюсов - однополюсные, двухполюсные, трехполюсные;

 - по исполнению корпуса - защищенные (от IP10 до IP44) и пылезащищенные (от IP50 до IP68).

 - по способу монтажа – с креплением к ровной поверхности и для монтажа на DIN-рейку. 

В состав автоматического выключателя входят: корпус, коммутирующее устройство, дугогасительные камеры, механизм управления, механизм свободного расцепления и расцепитель. Расцепитель является основной частью, обеспечивающей автоматическое срабатывание автомата. Наиболее часто используются расцепители максимального тока, срабатывающие при токе, превышающем ток уставки. В зависимости от типа расцепителя максимального тока автоматы выпускаются с электромагнитным, тепловым или комбинированным расцепителем (то есть с электромагнитным и тепловым).

Автоматический выключатель для монтажа на DIN-рейку конструктивно выполнен в диэлектрическом корпусе. Включение-отключение производится рычагом, провода подсоединяются к винтовым клеммам. Защелка фиксирует корпус выключателя на DIN-рейке и позволяет при необходимости легко его снять.

Коммутацию цепи осуществляют подвижный и неподвижный контакты. Подвижный контакт подпружинен, пружина обеспечивает усилие для быстрого расцепления контактов. Механизм расцепления приводится в действие одним из двух расцепителей: тепловым или магнитным.

Согласно ГОСТ Р 50345-99, автоматические выключатели делятся на следующие типы по току мгновенного расцепления:

- тип B: свыше 3In до 5In включительно (где In — номинальный ток);

- тип C: свыше 5In до 10In включительно;

- тип D: свыше 10In до 20In включительно.

Основные параметры автоматов:

1) номинальное напряжение U н.а - напряжение, на которое рассчитан автомат;

2) номинальный ток автомата Iн.а - ток, на который рассчитаны токоведущие и контактные части автомата, равный наибольшему из номинальных токов расцепителя;

3) номинальный ток расцепителя I н.тепл, I н.эл.м или I н.комб - наибольший ток, на который рассчитан расцепитель автомата для длительной работы и не вызывающий срабатывание расцепителя;

4) номинальный ток уставки теплового расцепителя I н.уст.тепл - ток, на который отрегулирован тепловой расцепитель и при котором расцепитель не срабатывает.

5) ток срабатывания расцепителя I ср.тепл, I ср.эл..м - наименьший ток, при котором срабатывает расцепитель автомата.

6) предельный ток отключения автомата при данном напряжении I пр.а - наибольшее значение тока короткого замыкания сети, при котором гарантируется надежная работа автомата.

 

7.3 Тепловые реле

 

Тепловые реле обычно применяются для защиты электродвигателей с длительным режимом работы от опасного нагрева при длительных перегрузках. Тепловое реле состоит из четырех основных элементов: нагревателя, включаемого последовательно в защищаемую от перегрузки сеть; биметаллической пластинки из двух спрессованных металлических пластин с различными коэффициентами линейного расширения; системы рычагов и пружин; контактов.

Когда через нагревательный элемент проходит ток, превышающий номинальный ток электродвигателя, выделяется такое количество тепла, что незакрепленный конец биметаллической пластинки изгибается в сторону металла с меньшим коэффициентом линейного расширения (т.е. опускается) и выводит защелку из зацепления.

В этот момент под действием пружины верхний конец рычага поднимается, размыкает контакты, разрывает цепь управления магнитного пускателя. В тепловых реле, встраиваемых в магнитные пускатели, нагревание биметаллического элемента происходит от тока в самом биметаллическом элементе (расцепитель с непосредственным нагревом) или в специальном нагревательном элементе (расцепитель с косвенным нагревом), или комбинированно, т.е. в том и другом элементе (расцепитель со смешанным нагревом). Тепловые реле используют обычно и для защиты электродвигателя от работы на двух фазах. В этих случаях применяют два одноэлементных тепловых реле или одно двухэлементное. Тепловые реле имеют следующие параметры. Основные параметры тепловых реле:

1) номинальное напряжение реле Uн.р - наибольшее из номинальных напряжений сетей, в которых допускается применять данное реле;

2) номинальный ток реле Iн.р - наибольший длительный ток, который не вызывает срабатывания реле;

3) номинальный ток нагревателя Iн.нагр - наибольший длительный ток, при котором реле с данным нагревателем не срабатывает (для реле со сменными нагревателями);

4) номинальный ток уставки реле (для реле с регулятором) Iн.уст.р - наибольший длительный ток, который при данной настройке реле не вызывает срабатывания, обычно

 

Iн.уст.р = (0,6-1) Iн.р(н.нагр)                              (11)

 

5) ток срабатывания теплового реле Iср.р - наименьший ток, при котором срабатывает тепловое реле, обычно   

 

Iср.р = (1,2-1,3) Iн.р(н.нагр).                          (12)

 

Для реле с регулятором значения Iн.р и Iн.нагр соответствуют нулевому (среднему) положению поводка регулятора (току нулевой уставки). Для реле со сменными нагревателями номинальный ток реле равен наибольшему из номинальных токов нагревателей, которые могут быть установлены в данном реле.

 

7.4 Устройства защитного отключения (УЗО)

 

К числу эффективных средств электрозащиты относятся устройства защитного отключения (УЗО), которые используются в электроустановках и предназначены для их автоматического отключения при однофазном (однополюсном) прикосновении к частям, находящимся под напряжением, недопустимом для человека, и (или) при возникновении в электроустановке тока утечки (замыкания), имеющего значения, превышающие заданные.

Устройство защитного отключения (УЗО) - быстродействующий защитный выключатель, реагирующий на дифференциальный ток в проводниках, подводящих электроэнергию к защищаемой электроустановке.

Заземление и зануление, предназначенные для защиты от поражения электрическим током, непосредственно не отключают поврежденный участок сети, а только способствуют отведению тока от человека, причем последнее в ряде случаев не обеспечивает безопасность и зависит от множества случайных факторов.

Автоматические выключатели и предохранители, предназначенные для защиты электрических сетей, реагируют только на очень большие токи, особенно в части отключения токов коротких замыканий.

В отличие от автоматических выключателей и предохранителей УЗО являются высокочувствительными устройствами, реагирующими на весьма малые значения токов утечки на землю, которые возникают при нарушении изоляции электропроводов и электроприборов.

Пожарная опасность токов утечки лишь в несколько десяток или сотен миллиампер обусловлена их саморазвитием, приводящим к нагреву изоляции, ее возгоранию и к коротким замыканиям. Поэтому УЗО не только предотвращают загорания и пожары, вызванные токами утечки, включая развивающиеся короткие замыкания, но и, обладая высоким быстродействием, значительно снижают вероятность смертельных случаев при электропоражениях людей. 

В настоящее время в качестве датчика дифференциального тока используется трансформатор тока, в первичную обмотку которого включается фазный и нулевой провод, а вторичная обмотка выполнена стандартным образом. Пороговый элемент выполняется, как правило, на чувствительных магнитоэлектрических реле или электронных компонентах.

Исполнительный механизм включает в себя сильноточную контактную группу с механизмом привода. Цепь тестирования, искусственно создающая дифференциальный ток, предназначена для осуществления периодического контроля исправности устройства в целом путем нажатия кнопки «ТЕСТ».

Принцип работы УЗО в нормальном режиме. При протекании рабочего тока нагрузки и при отсутствии дифференциального (разностного) тока – тока утечки (I△), токи в прямом и обратном проводниках, образующих встречно включенные первичные обмотки дифференциального трансформатора тока УЗО (1), равны по модулю (I1=I2) и наводят в магнитном сердечнике трансформатора тока равные, но противоположно направленные магнитные потоки Ф1 и Ф2, в результате чего ток во вторичной обмотке равен нулю и не вызывает срабатывания порогового элемента блока управления.

Принцип действия УЗО при аварийном режиме. При возникновении дифференциального тока, вызванного нарушением изоляции или прямым прикосновением человека, – баланс токов, а следовательно и магнитных потоков, нарушается и во вторичной обмотке появляется трансформированный дифференциальный ток (ток небаланса), который вызывает срабатывание порогового элемента, воздействующего на исполнительный механизм.

Исполнительный механизм воздействует на привод контактной группы и защищаемая цепь обесточивается. Основные параметры УЗО:

1) номинальное напряжение (Un) – действующее значение напряжения, при котором обеспечивается работоспособность УЗО; Un = 220; 380 В;

2) номинальный ток нагрузки (In) – значение тока, которое УЗО может пропускать в продолжительном режиме работы; In = 6; 16; 25; 40; 63; 80 А;

3) номинальный отключающий дифференциальный ток (I△n) – значение дифференциального тока, которое вызывает отключение УЗО при заданных условиях эксплуатации; I△n = 0,006; 0,01; 0,03; 0,1; 0,3; 0,5А;

4) номинальный неотключающий дифференциальный ток (I△no) – значение дифференциального тока, которое не вызывает отключение УЗО при заданных условиях эксплуатации; I△no = 0,5I△n;

5) предельное значение неотключающего сверхтока (Inm) – минимальное значение неотключающего сверхтока при симметричной нагрузке двух и четырехполюсных УЗО или несимметричной нагрузке четырехполюсных УЗО; Inm = 6In. Сверхток – любой ток, который превышает номинальный ток нагрузки;

6) номинальная включающая и отключающая способность (коммутационная способность) (Im) – действующее значение ожидаемого тока, который УЗО способно включить, пропускать в течение своего времени размыкания и отключить при заданных условиях эксплуатации без нарушения его работоспособности; Im = 10In или 500 А (выбирается большее значение);

7) номинальная включающая и отключающая способность по дифференциальному току (I△m) – действующее значение ожидаемого дифференциального тока, которое УЗО способно включить, пропускать в течение своего времени размыкания и отключить при заданных условиях эксплуатации без нарушения его работоспособности; I△m = 10In или 500 А (выбирается большее значение);

8) номинальный условный ток короткого замыкания (ток термической стойкости) (Inc) – действующее значение ожидаемого тока, которое способно выдержать УЗО, защищаемое устройством защиты от коротких замыканий – плавкой вставкой с номинальным током, равным току нагрузки УЗО; Inc = 3000; 6000; 10000 А;

9) номинальный условный дифференциальный ток короткого замыкания (Ic) – действующее значение ожидаемого дифференциального тока, которое способно выдержать УЗО, защищаемое устройством защиты от коротких замыканий при заданных условиях эксплуатации без необратимых изменений, нарушающих его работоспособность; I△c = 3000; 6000; 10000 А;

10) номинальное время отключения (Tn) – промежуток времени между моментом внезапного возникновения отключающего дифференциального тока и моментом выполнения функции данного устройства до полного гашения дуги. Стандартные значения максимально допустимого времени отключения при любом рабочем токе нагрузки и заданных нормами значениях дифференциального тока утечки не должны превышать приведенных в таблице 19.

Таблица 19 Стандартные значения времени отключения

Время отключения (Tn), сек
I△n	2I△n	5I△n	500 А
0,3	0,15	0,04	0,04

 

Если устройство защиты от сверхтока (автоматический выключатель, предохранитель) не обеспечивает время автоматического отключения 0,4 с при номинальном напряжении 220 В из-за низких значений токов короткого замыкания и установка (квартира) не охвачена системой уравнивания потенциалов, установка УЗО является обязательной.

Во всех случаях применения УЗО должно обеспечивать надежную коммутацию цепей нагрузки с учетом возможных перегрузок. Рекомендуется использовать УЗО, представляющее собой единый аппарат с автоматическим выключателем, обеспечивающим защиту от сверхтока. Не допускается использовать УЗО в групповых линиях, не имеющих защиты от сверхтока, без дополнительного аппарата, обеспечивающего эту защиту. В жилых зданиях не допускается применять УЗО, автоматически отключающие потребителя от сети при исчезновении или недопустимом падении напряжения сети. При этом УЗО должно сохранять работоспособность на время не менее 5 с при снижении напряжения до 50% номинального.

В групповых сетях, питающих штепсельные розетки, следует применять УЗО с номинальным током срабатывания не более 30 мА. Установка УЗО в линиях, питающих стационарное оборудование и светильники, а также в общих осветительных сетях, как правило, не требуется. В жилых зданиях УЗО рекомендуется устанавливать на квартирных щитках, допускается их установка на этажных щитках. Установка УЗО запрещается для электроприемников, отключение которых может привести к ситуациям, опасным для потребителей (отключению пожарной сигнализации и т.п.). Обязательной является установка УЗО с номинальным током срабатывания не более 30 мА для групповых линий, питающих розеточные сети, находящиеся вне помещений и в помещениях особо опасных и с повышенной опасностью, например в зоне 3 ванных и душевых помещений квартир и номеров гостиниц.

Для повышения уровня защиты от возгорания при замыканиях на заземленные части, когда величина тока недостаточна для срабатывания масимальной токовой защиты, на вводе в квартиру, индивидуальный дом и т.п. рекомендуется установка УЗО с током срабатывания до 300 мА.

Если УЗО предназначено для защиты от поражения электрическим током и возгорания или только для защиты от возгорания, то оно должно отключать как фазный, так и нулевой рабочие проводники, защита от сверхтока в нулевом рабочем проводнике не требуется.

 

7.5 Загорания от предохранителей

 

Загорания от предохранителей происходят в результате:

- нагрева в местах рабочих контактов от снижения контактного давления и возрастания переходного сопротивления;

- нагрева в местах рабочих контактов от окисления контактных поверхностей и возрастания переходного сопротивления;

- разлета частиц расплавленного металла плавкой вставки при разрушении корпуса предохранителя, вызванного применением нестандартных плавких вставок («жучков»);

- разлета частиц расплавленного металла нестандартных открытых плавких вставок.

 

Тема 8. Молниезащита и защита от статического электричества.

 

8.1 Краткие сведения о разрядах молнии, её опасные последствия.

 

Молния представляет собой электрический разряд в атмосфере между заряженным облаком и землей, между разноименно заряженными частями облака или соседними облаками. Длина ее канала обычно достигает нескольких километров, причем значительная его часть находится в грозовом облаке.

До появления разряда происходит накопление и разделение электрических зарядов в облаке, чему способствуют аэродинамические и термические процессы: восходящие воздушные потоки, конденсация паров на высоте от 1 до 6 км, образование капель, их дробление. Вертикальные (восходящие) потоки теплого воздуха могут создаваться при усиленном местном нагреве почвы (тепловые грозы, охватывающие небольшое пространство) и во время вторжения клиновидной массы холодного воздуха (фронтальные грозы).

Нормально земля заряжена отрицательно с поверхностной плотностью δ - при существовании электрического поля земли с напряженностью Ен. Второй «обкладкой» этого сферического конденсатора является положительно заряженная ионосфера, расположенная очень высоко (рис. 8.1). Под действием Ен падающая капля поляризуется, в нижней ее части появляется положительный заряд, в верхней – отрицательный. Движущиеся в восходящем потоке воздуха электроны притягиваются нижней частью капли, а более положительные инерционные ионы воздуха отталкиваются и уносятся далее, сосредоточиваясь вверху. В результате этого капли получают суммарный отрицательный заряд и наполняют нижнюю часть облака со значительной объемной плотностью, где может находиться иногда и небольшой объемный положительный заряд. Внутри облака образуется электрическое поле с напряженностью Еоб между распределенными разнополярными зарядами. Нижняя часть индуцирует на поверхности земли положительный заряд с плотностью δ + и появляется местное грозовое электрическое поле с напряженностью Ег, достигающей иногда 100-200 кВ/м.

Разряд облака на землю (рис. 8.2) имеет вид линейной молнии и начинается в большинстве случаев при высокой концентрации в нем зарядов и напряженности Ег=20-30 кВ/см у его выступающих частей. Этому благоприятствует меньшая плотность воздуха вокруг облака, чем плотность у земли.

Ток главного разряда (см. рис. 8.2, б) достигает большой величины (десятки и сотни кА за 50-100 мкс) и способен разогреть канал до температуры более 30 000 °С. Вокруг него образуется ионизированная область, исчезающая после окончания главного разряда через 0,030,05 с. Затем образуется ток после свечения величиной от 10 до 1000 А. Длительный ток в этой финальной стадии молнии является одной из основных причин ее термического воздействия.

Наибольшую опасность представляет нисходящая отрицательная молния между облаком и землей (объектом) в виде линейной молнии, с которой связано подавляющее большинство пожаров и повреждений зданий, сооружений, линий электропередач, подстанций.

Воздействие молнии может быть двояким. Во-первых, оно может поражать здания и установки непосредственно, что называется прямым ударом, или первичным воздействием. Прямой удар молнии характеризуется непосредственным контактом канала молнии со зданием или сооружением и сопровождается протеканием через него тока молнии. Во-вторых, она может оказывать вторичные воздействия, объясняемые электростатической и электромагнитной индукцией, а также заносом высоких потенциалов через надземные и подземные металлические коммуникации, что является следствием прямого удара молнии. Вторичные воздействия создают опасность искрения внутри защищаемого объекта.

Прямой удар молнии обуславливает следующие воздействия на объекты: термические, механические и электрические. Все эти воздействия могут быть причинами пожаров, взрывов, механических разрушений, перенапряжения на пораженных элементах объекта, проводах и кабелях электрических сетей, поражения людей.

Особую опасность прямой удар молнии представляет для зданий и наружных установок, где по условиям технологического процесса может образоваться взрывоопасная среда, что встречается редко; чаще она образуется при нарушении технологических процессов, авариях оборудования, вентиляции.

Под вторичными воздействиями молнии подразумеваются явления во время близких разрядов молнии, сопровождающиеся появлением разностей потенциалов на конструкциях, трубопроводах и проводах внутри помещений и сооружений, не подвергающихся непосредственному прямому удару. Они возникают в результате электростатической и электромагнитной индукции. К ним можно отнести также появление разностей потенциалов внутри помещений вследствие заноса высоких потенциалов через надземные и подземные металлические коммуникации (трубопроводы, кабели, воздушные линии).

 

8.2 Классификация защищаемых объектов по молниезащите.

 

По устройству молниезащиты здания и сооружения разделены на три категории, отличающиеся по тяжести возможных последствий поражения молнией.

I категория – здания и сооружения или их части с взрывоопасными зонами классов В-I и В-II по Правилам устройства электроустановок (ПУЭ-86). В них хранятся или содержатся постоянно, либо появляются во время производственного процесса смеси газов, паров или пыли горючих веществ с воздухом или иными окислителями, способные взорваться от электрической искры.

II категория – здания и сооружения или их части, в которых имеются взрывоопасные зоны классов В-Iа, В-Iб, В-IIа согласно ПУЭ. В них взрывоопасные смеси могут появляться лишь при аварии или неисправностях в технологическом процессе. К этой категории принадлежат также наружные технологические установки и склады, содержащие взрывоопасные газы и пары, горючие и легковоспламеняющиеся жидкости (газгольдеры, цистерны и резервуары, сливно-наливные эстакады), отнесенные по ПУЭ к взрывоопасным зонам класса В-Iг.

III категория – несколько вариантов зданий, в том числе: здания и сооружения с пожароопасными зонами классов П-I, П-II и П-IIа согласно ПУЭ; наружные технологические установки, открытые склады горючих веществ, где применяются или хранятся горючие жидкости с температурой вспышки паров выше 61 °С или твердые горючие вещества, отнесенные по ПУЭ к зоне класса П-III.

 

Требования к выполнению молниезащиты зданий и сооружений.

Средством защиты от прямых ударов молнии служит молниеотвод – устройство, рассчитанное на непосредственный контакт с каналом молнии и отводящее ее ток в землю.

Молниезащита представляет собой комплекс мероприятий, направленных на предотвращение прямого удара молнии в объект или на устранение опасных последствий, связанных с прямым ударом; к этому комплексу относятся также средства защиты, предохраняющие объект от вторичных воздействий молнии и заноса высокого потенциала.

К основным требованиям могут быть отнесены:

- соответствие молниезащиты категории здания, характеру производственного процесса в здании, сооружении, на всем объекте;

- возможность типизации конструктивных элементов молниезащиты;

- надежность действия всех ее элементов и «равнопрочность» их в этом отношении;

- большой срок службы, достигающий десятка и более лет;

- возможность применения недорогостоящих материалов и использования конструктивных элементов здания и сооружения;

- наглядность монтажа, предупредительные и воспрещающие знаки или ограждения, т.е. создание условий безопасности для персонала объекта или посторонних людей;

- сравнительно несложная эксплуатация и доступность ко всем элементам при контроле, восстановлении или ремонте.

Кроме того, при выполнении молниезащиты зданий и сооружений всех категорий для повышения безопасности людей следует размещать заземлители (кроме углубленных) в редко посещаемых местах (на газонах, кустарниках), в удалении на 5 и более метров от основных грунтовых, проезжих и пешеходных дорог, располагать под асфальтовыми покрытиями, устанавливать предупреждающие плакаты. Токоотводы следует прокладывать в малодоступных местах, чтобы люди не могли к ним прикоснуться. Для снижения опасности шаговых напряжений рекомендуется применять углубленные и рассредоточенные заземлители в виде лучей. При ширине зданий и сооружений более 100 м необходимо выполнять мероприятия по выравниванию потенциала внутри здания. При устройстве молниезащиты зданий и сооружений любой категории следует учитывать возможность экранирования их зонами защиты молниеотводов других близкорасположенных зданий и сооружений. При этом следует максимально использовать естественные молниеотводы (вытяжные трубы, водонапорные башни, дымовые трубы, линии электропередач и другие возвышающиеся сооружения).

Для нестандартных объектов, молниезащиту которых не удается осуществить по типовым рекомендациям [2], должны быть определены те воздействия, которые представляют наибольшую опасность, а затем на основе технико-экономического анализа выбрать для них необходимые оптимальные меры защиты.

В ряде случаев, особенно для объектов новой технологии, может оказаться решающей не стоимость устройств молниезащиты, а их совместимость с технологическими функциями объекта, поэтому иногда важно рассматривать вопросы молниезащиты не в процессе строительства объекта, а на стадии его проектирования, когда имеется возможность путем малых затрат и несущественных изменений повысить грозоупорность (грозоустойчивость) объекта и возложить хотя бы частично функции молниезащиты на его конструктивные элементы.

В практике проектирования и эксплуатации молниезащиты следует учитывать определенные размеры зоны взрывоопасности, так как многие здания, сооружения и наружные установки химических, нефтехимических, нефтеперерабатывающих и ряда других предприятий имеют устройства постоянного или периодического выброса в окружающее пространство горючих газов и паров жидкостей. Эти технологические выбросы, связанные с нормальным или аварийным режимом работы аппаратов и установок, происходят через постоянно или периодически действующие воздушки, свечи, газоотводные трубы, по специальным аварийным стравливающим линиям, а также через дыхательные и предохранительные клапаны. Значительное количество этих выбросов производится локальными механическими и естественными вентиляционными системами зданий.

На отдельных объектах химической промышленности насчитывается до нескольких сотен воздушек. Перечисленные устройства располагаются, как правило, на зданиях, наружных установках, рабочих площадках и этажерках, в виде отдельно стоящих труб-свечей высотой более 30 м.

Большие потери наблюдаются от испарения нефтепродуктов с высокой упругостью паров и сырой нефти при их хранении и при различных операциях, связанных с загрузкой и выгрузкой емкостей. При этом продукты испарения, вытесняемые из наполняемых железобетонных резервуаров через дыхательные клапаны и неплотности крыши в атмосферу, при определенных технологических режимах и метеорологических условиях создают на прилегающей территории взрывоопасные зоны значительных размеров (10-40 м).

Во многих случаях горючие продукты (газы и пары) выбрасываются либо в чистом виде, особенно при аварийных стравливаниях из аппаратов, либо в смеси с воздухом в границах концентрированных пределов взрыва (при выбросе газо- и паровоздушных смесей из дыхательных труб, воздушек), поэтому около таких устройств выброса также могут создаваться зоны взрывоопасности.

Непосредственный контакт канала молнии или нагретых до высокой температуры частей молниезащитных устройств с этой зоной может привести к воспламенению, взрыву и разрушениям, поэтому вопросы молниезащиты зданий и наружных установок должны решаться с учетом возможных зон взрывоопасности, которые будут влиять на выбор схемы и типа молниезащитного устройства, мест их расположения, необходимого удаления и превышения зон защиты молниеотводов над устройством выброса.

В практике проектирования молниезащиты встречались случаи, когда наличие большого количества газоотводных труб и вентиляционных устройств приводило к отказу от защиты зданий II категории молниеотводами, располагаемыми на них, и сооружались отдельно стоящие молниеотводы.

Трудности, возникающие при решении вопросов молниезащиты с учетом зон взрывоопасности, объяснялись, с одной стороны, весьма противоречивыми указаниями в литературных и нормативных источниках, с другой – отсутствием каких-либо исследований распределения взрывоопасных концентраций и зон. Все это приводило к усложнению и чрезмерному удорожанию молниезащитных устройств, применению недостаточно надежного и безопасного варианта молниезащиты. В связи с этим были проведены некоторые исследования распределений концентраций горючих смесей при непрерывном выбросе их в атмосферу [3].

 

8.4 Устройство молниезащиты