Организация молниезащиты антенн базовых станций сотовой связи

Размещено на http://www.allbest.ru/

ВВЕДЕНИЕ

На сегодняшний день в Республике Беларусь одним из наиболее приоритетных направлений развития электросвязи является развитие сетей сотовой подвижной электросвязи.

В нашей стране продолжается ускоренное развитие сети сотовой подвижной электросвязи стандарта GSM. Общее количество абонентов трех операторов, оказывающих данные услуги, превысило 6 миллионов. Сотовой подвижной электросвязью охвачена территория, на которой проживает более 93 процентов населения. Острая конкуренция между операторами сотовой связи способствует расширению перечня предоставляемых услуг и снижению их стоимости, стимулирует операторов к внедрению новейших технологий. Компании предоставляют своим абонентам многочисленные услуги, которые делают сотовую связь более многофункциональной и расширяют возможности использования сотового телефона.

Рынок сотовой подвижной электросвязи будет развиваться в направлении перехода к следующему поколению сотовой связи - 3G. Реализация проекта 3G сдерживается отсутствием свободного частотного ресурса. После решения вопроса о выделении частотного ресурса будут разработаны условия предоставления частот для организации сети третьего поколения (3G) [25].

В настоящее время во многих странах активно развивается технология Mobile WiMAX, проект по созданию сетей WiMAX существует и в Республике Беларусь.

Развитие технологии идет в нескольких направлениях. Операторы связи развертывают телекоммуникационные сети, а производители оборудования осваивают выпуск мобильных устройств для пользователей: модемов, ноутбуков, нетбуков, карманных персональных компьютеров, телефонов, роутеров со встроенной поддержкой Mobile WiMAX. Массовый выпуск такой техники уже начали мировые лидеры - Samsung, Intel, ASUS, HTC, Lenovo и другие.

Тем временем национальные сети Mobile WiMAX уже развернуты в России (Yota), США (Clear), Корее (KT WiBro) и Японии (UQC). Yota, первая сеть мобильного WiMAX в России, работает с 2008 года. При участии Yota сейчас строятся сети Mobile WiMAX в Перу, Никарагуа и Республике Беларусь.

Создание крупных сетей, развитие рынка устройств и формирование потребительского спроса приводит к так называемому «эффекту домино»: развертывание новых сетей и выход на рынок новых устройств в сформированной среде происходят значительно быстрее и проще.

С образованием WiMAX-сетей национального масштаба возникает необходимость международного роуминга. Переговоры о роуминге сейчас ведутся между компаниями Yota, Clear, UQC и другими операторами. Протокол о намерениях был подписан компаниями в сентябре 2009 года. Одно из необходимых условий роуминга - стандартизация сетей и оборудования, работающего в разных сетях. Над этим сейчас работают ведущие операторы и производители в рамках WiMAX Forum.

Следующим шагом развития Mobile WiMAX должно стать внедрение нового стандарта - IEEE 802.16m, который сейчас находится в стадии тестирования. С его появлением станет возможной передача информации на пользовательское устройство на скорости до 100 Мбит/с. Стандарт совместим с ныне действующим IEEE 802.16e, поэтому пользователям не потребуется переходить на новые устройства после модернизации сети [26].

Однако необходимо учесть, что с развитием сетей сотовой подвижной электросвязи в разы увеличивается стоимость оборудования базовых станций, а также на несколько порядков возрастает объем передаваемой информации. И одной из причин выхода из строя оборудования сетей сотовой связи, перебоев в передаче информации являются так называемые внешние факторы. Для Республики Беларусь наиболее характерными внешними факторами, способными вызвать перебои в связи, поломки аппаратуры и линий связи, являются такие природные явления как грозы.

В Республике Беларусь в среднем наблюдается до 30 случаев грозовой активности за год, в южных областях - около 50. В последние годы их число только увеличивается. Молния может ударить в любой предмет, который находится выше земной поверхности. Ее притягивают вода, металл и электроприборы. Напряженность электрического поля молнии составляет миллионы вольт на метр, сила тока - несколько сотен тысяч ампер, температура плазмы - почти 10 тысяч градусов. Поэтому очевидно, что попадание молнии в антенну сотовой связи, установленную, например, на крыше здания может привести к поломке дорогостоящего оборудования базовой станции, а также вызвать повреждение чувствительной аппаратуры внутри здания или даже привести к возгоранию объекта. При этом нужно учитывать, что антенны операторов сотовой связи устанавливаются практически повсеместно на крышах высотных промышленных зданий и учреждений (иногда сразу несколько, для каждого из действующих операторов сотовой связи). То есть риск довольно велик, а ремонт пострадавшего оборудования потребует и времени, и денежных средств. При этом никакой речи о надежной передаче информации идти не может.

Следовательно, необходимо разработать и установить комплексную систему защиты антенн операторов сотовой связи, оборудования базовых станций, зданий, на крышах которых устанавливается необходимая аппаратура, от атмосферных перенапряжений, проанализировать возможные варианты противодействия грозовым разрядам. Кроме этого, необходимо рассмотреть основные методы борьбы с дестабилизирующими факторами внешних воздействий, дать оценку эффективности применения разного рода молниеприемников и сопутствующего им оборудования.

Целью данного дипломного проекта является достижение стабильной с экономической точки зрения работы операторов сотовой связи, связанных со строительством и эксплуатацией антенн и базовых станций сотовой связи, путем организации комплексной защиты в случае атмосферного перенапряжения возникающего при попадании молнии.

Для достижения этой цели были решены следующие задачи:

1. Изучены способы защиты антенны и базовой станции сотовой связи, от внешних влияний (т. е. молниезащита зданий, сооружений и проводящих инсталляций на их крышах);

2. Изучены способы защиты внутреннего оборудования базовых станций от вторичного проявления атмосферных перенапряжений;

3. Исследована экономическая целесообразность монтажа молниезащиты базовой станции сотовой связи;

4. Для производства работ при монтаже антенн и базовых станций на крышах зданий, разработана местная инструкция при работах на высоте.

1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

Во время работы над дипломным проектом были использованы литературные источники, которые содержат информацию о грозозащите зданий, сооружений и оборудования внутри них, о грозозащите антенн сотовой связи и радиосвязи.

На сегодняшний день очень актуальна тема молниезащиты зданий и сооружений, в источнике [1,13] описывается новейшая разработка в этой области - активные молниеприемники. Так же здесь приводится пример ряда преимуществ активной молниезащиты над пассивной.

В источниках [2,18] рассмотрен физический механизм развития искрового разряда в гигантских воздушных промежутках между заряженными центрами облака и землей в стадиях развития лидерного процесса и нейтрализации объемного заряда лидера. На основе выполненного анализа определены возможные параметры тока молнии: крутизна нарастания и максимальное значение. Показано, что время нарастания тока молнии соответствует времени пробега электромагнитной волны вдоль канала лидера. Определены волновые параметры канала молнии. Исследована зависимость параметров импульса тока молнии от сопротивления заземления проводящего канала молнии.

В источнике подробно описывается природа образования молнии, ее основные характеристики [4,5] и защиты от нее [6,7]. Описываются различные варианты монтажа молниеприемников.

Для защиты объекта от попадания молнии в дипломном проекте описывается внешняя (активная [9] и пассивная [10]) и внутренняя молниезащита.[12]

В источниках [24,28,31,32,33,34] приведены основные стандарты грозозащиты и защиты от электромагнитных влияний, основные принципы выбора той или иной системы защиты с учетом экономической целесообразности, основные способы определения точек, подверженных влиянию молнии [20], рассмотрены внешние и внутренние системы защиты, приведены реальные примеры комплексной молниезащиты зданий и сооружений, а также различных инсталляций на крышах (в том числе и антенн операторов сотовой связи)

В пособии [3,7,8,11] также приведены основные нормы[15,16], касающиеся молниезащиты, рассмотрены различные виды молниеприемников и токоотводов, молниезащита объектов, расположенных на крышах зданий и сооружений (в частности антенн операторов сотовой связи), рассмотрены основные принципы защиты от искрового перекрытия, а также различные виды заземлителей [17,23], как естественных, так и искусственных. Отдельный раздел посвящен устройствам ограничения перенапряжений в электрической инсталляции на строительных объектах.[19,35]

В источнике [36] излагаются современные представления о разряде молнии, ее опасных воздействиях и способах защиты от них. Рассматриваются механизмы инициирования и развития первого лидера молнии, главной стадии, сопровождающейся разрушительным током в месте удара, эффекты притяжения молнии к высоким сооружениям, воздействие на линии электропередач, подземные кабели, самолеты и др., как прямое, так и в результате электромагнитных наводок от удаленных разрядов. Критически обсуждаются результаты наблюдений и измерений с целью извлечь полезное для понимания молниевых механизмов. Рассматриваются средства защиты от молний, по возможности даются практические рекомендации.

В пособии [3,7] изложены вопросы молниезащиты и защиты от перенапряжений установок промышленных предприятий. Кратко отраженна диагностика состояния заземляющих устройств и молниезащиты. С целью углубленного изучения теоретического материала приводиться рещение отдельных инженерных задач по молниезащите электроустановок и расчету их заземляющих устройств.

В источниках [14,21,27,29,30] приведены основные требования для разработки Местной инструкции по охране труда при работе на высоте, она понадобится нам при монтаже и эксплуатации антенн и базовых станций сотовой связи на крышах зданий.

Так же при разработке дипломного проекта были использованы Internet-источники, где описаны самые последние тенденции в области развития сотовой связи [25,26] и молниезащиты [1,9,10,22].

2. Техническая часть

2.1 Основные термины и определения

1. Безопасное расстояние - минимальное расстояние между двумя проводящими элементами вне или внутри защищаемого объекта, при котором между ними не может произойти опасного искрения.

2. Вторичное проявление молнии - наведение потенциалов на металлических элементах конструкции, оборудования, в незамкнутых металлических контурах, вызванное близкими разрядами молнии и создающее опасность искрения внутри защищаемого объекта.

3. Двойной (многократный) молниеотвод - это два (или более) стержневых или тросовых молниеотвода, образующих общую зону защиты.

4. Допустимая вероятность прорыва молнии - предельно допустимая вероятность Р удара молнии в объект, защищаемый молниеотводами. Надежность защиты определяется как 1 - Р.[17]

5. Естественные заземлители - заглубленные в землю металлические и железобетонные конструкции зданий и сооружений.

6. Заземляющий контур - заземляющий проводник в виде замкнутой петли вокруг здания в земле или на ее поверхности.

7. Заземляющее устройство - совокупность заземлителя и заземляющих проводников.

8. Заземлитель молниезащиты - один или несколько заглубленных в землю проводников, предназначенных для отвода в землю токов молнии или ограничения перенапряжений, возникающих на металлических корпусах, оборудовании, коммуникациях при близких разрядах молнии. Заземлители делятся на естественные и искусственные.

9. Занос высокого потенциала - перенесение в защищаемое здание или сооружение по протяженным металлическим коммуникациям (подземным, наземным и надземным трубопроводам, кабелям и т.п.) электрических потенциалов, возникающих при прямых и близких ударах молнии и создающих опасность искрения внутри защищаемого объекта.

10. Зона защиты молниеотвода - пространство, внутри которого здание или сооружение защищено от прямых ударов молнии с надежностью не ниже определенного значения. Наименьшей и постоянной надежностью обладает поверхность зоны защиты; в глубине зоны защиты надежность выше, чем на ее поверхности.

- Зона защиты типа А обладает надежностью 99,5% и выше, а типа Б - 95 % и выше.

11. Защищаемый объект - здание или сооружение, их часть или пространство, для которых выполнена молниезащита, отвечающая требованиям настоящего норматива

12. Искусственные заземлители - специально проложенные в земле контуры из полосовой или круглой стали; сосредоточенные конструкции, состоящие из вертикальных и горизонтальных проводников.

13. Конструктивно молниеотводы разделяются на следующие виды:

- стержневые - с вертикальным расположением молниеприемника;

- тросовые (протяженные) - с горизонтальным расположением молниеприемника, закрепленного на двух заземленных опорах;

- сетки - многократные горизонтальные молниеприемники, пересекающиеся под прямым углом и укладываемые на защищаемого объекта.[19]

14. Молниеприемник - часть молниеотвода, предназначенная для перехвата молний.

15. Молниеотвод - устройство, воспринимающее удар молнии и отводящее ее ток в землю.

- В общем случае молниеотвод состоит из опоры; молниеприемника, непосредственно воспринимающего удар молнии; токоотвода, по которому ток молнии передается в землю; заземлителя, обеспечивающего растекание тока молнии в земле.

- В некоторых случаях функции опоры, молниеприемника и токоотвода совмещаются, например, при использовании в качестве молниеотвода металлических труб или ферм.

16. Молниеотвод, установленный на защищаемом объекте - молниеотвод, молниеприемники и токоотводы которого расположены таким образом, что часть тока молнии может растекаться через защищаемый объект или его заземлитель.

17. Напряжение на заземляющем устройстве - напряжение, возникающее при стекании тока с заземлителя в землю между точкой ввода тока в заземлитель и зоной нулевого потенциала.

18. Отдельно стоящие молниеотводы - это те, опоры которых установлены на земле на некотором удалении от защищаемого объекта.

19. Одиночный молниеотвод - это единичная конструкция стержневого или тросового молниеотвода.

20. Опасное искрение - недопустимый электрический разряд внутри защищаемого объекта, вызванный ударом молнии.

21. Прямой удар молнии (поражение молнией) - непосредственный контакт канала молнии со зданием или сооружением, сопровождающийся протеканием через него тока молнии.

22. Промышленные коммуникации - силовые и информационные кабели, проводящие трубопроводы, непроводящие трубопроводы с внутренней проводящей средой

23. Сопротивление заземляющего устройства - отношение напряжения на заземляющем устройстве к току, стекающего с заземлителя в землю.

24. Соединенная между собой металлическая арматура - арматура железобетонных конструкций здания (сооружения), которая обеспечивает электрическую непрерывность.

25. Токоотвод (спуск) - часть молниеотвода, предназначенная для отвода тока молнии от молниеприемника к заземлителю.

26. Точка поражения - точка, в которой молния соприкасается с землей, зданием или устройством молниезащиты. Удар молнии может иметь несколько точек поражения.

27. Устройство молниезащиты - система, позволяющая защитить здание или сооружение от воздействий молнии. Она включает в себя внешние и внутренние устройства. В частных случаях молниезащита может содержать только внешние или только внутренние устройства.

28. Устройства защиты от прямых ударов молнии (молниеотводы) - комплекс, состоящий из молниеприемников, токоотводов и заземлителей.

29. Удар молнии в землю - электрический разряд атмосферного происхождения между грозовым облаком и землей, состоящий из одного или нескольких импульсов тока.

30. Устройства защиты от вторичных воздействий молнии - устройства, ограничивающие воздействия электрического и магнитного полей молнии.

31. Устройства для выравнивания потенциалов - элементы устройств защиты, ограничивающие разность потенциалов, обусловленную растеканием тока молнии.

32. Устройство защиты от перенапряжений - устройство, предназначенное для ограничения перенапряжений между элементами защищаемого объекта (например, разрядник, нелинейный ограничитель перенапряжений или иное защитное устройство). [31], [32].

2.2 Молниеприемники и их виды

Молниеотвод - устройство для защиты зданий, промышленных, коммунальных, транспортных, сельскохозяйственных и других сооружений от удара молнии. Молниеотвод состоит из электрода в виде тонкого, заострённого на конце металлического стержня, устанавливаемого над защищаемым объектом (стержневой молниеотвод), или в виде провода (троса), обычно протягиваемого над линиями электропередачи (тросовой молниеотвод - грозозащитный трос), и из надёжного заземления с общим сопротивлением не более 10-20 Ом. Защитное действие молниеотвода в значительной степени зависит от размеров защитной зоны, границей которой является геометрическое место точек, ограничивающее пространство. Молниеотвод может перехватывать более 99% молний. Защитная зона одиночного стержневого молниеотвода близка по форме к конусу с углом при вершине 45 градусов, у одиночного тросового молниеотвода защитная зона имеет форму трёхгранной призмы, ребром которой служит трос.

При наличии двух и более молниеотводов объект может оказаться защищённым даже в том случае, если он не находится внутри защитных зон, так как вероятность поражения объекта при этом значительно снижается. На электрических подстанциях для отвода токов молнии обычно используется рабочие заземления. Достаточной защитой от молнии небольших жилых домов или других зданий с металлическими крышами является надёжное заземление крыши. Здания с центральным отоплением, водопроводом и подземной электропроводкой практически являются защищёнными от молнии и не нуждаются в специальных молниеотводах. Для защиты помещений, в которых возможно образование взрывоопасных смесей, пыли, паров, газов, применяют изолированные от здания, отдельно стоящие стержневые молниеотводы, расположенные так, что все части здания оказываются в зонах их защиты. При этом каждый молниеотвод должен иметь свой отдельный заземлитель.[33,6]

2.2.1 Одиночный стержневой молниеотвод (пассивная защита)

Зона защиты одиночного стержневого молниеотвода высотой h представляет собой круговой конус (рисунок 2.1), вершина которого находится на высоте h0<h. На уровне земли зона защиты образует круг радиусом r0. Горизонтальное сечение зоны защиты на высоте защищаемого сооружения hx представляет собой круг радиусом rx.

1.1 Зоны защиты одиночных стержневых молниеотводов высотой h150 м имеют следующие габаритные размеры.

Зона A:

h0 = 0,85h,

r0 = (1,1 -- 0,002h)h,

rx = (1,1 -- 0,002h)(h -- hx/0,85).

Зона Б:

h0 = 0,92h;

r0 = 1,5h;

rx =1,5(h -- hx/0,92).

Для зоны Б высота одиночного стержневого молниеотвода при известных значениях h и может быть определена по формуле

h = (rx + 1,63hx)/1,5.

Рисунок 2.1 - Зона защиты одиночного стержневого молниеотвода:

I -- граница зоны защиты на уровне hx, 2 -то же на уровне земли

1.2 Зоны защиты одиночных стержневых молниеотводов высотой 150 < h < 600 м имеют следующие габаритные размеры

Зона А:

;

Зона Б

;

2.2.2 Двойной стержневой молниеотвод

Зона защиты двойного стержневого молниеотвода высотой h150 м представлена на рисунке 2.2 (рисунок 2.2). Торцевые области зоны защиты определяются как зоны одиночных стержневых молниеотводов, габаритные размеры которых h0, r0, rx1, rx2 определяются по формулам п. 1.1 этой главы для обоих типов зон защиты.

Рисунок 2.2 - Зона защиты двойного стержневого молниеотвода:

1 - граница зоны защиты на уровне hx1; 2 -то же на уровне hx2,

3 - то же на уровне земли

Внутренние области зон защиты двойного стержневого молниеотвода имеют следующие габаритные размеры.

Зона А:

при L h

;

;

;

при 2h < L 4h

;

;

;

При расстоянии между стержневыми молниеотводами L > 4h для построения зоны А молниеотводы следует рассматривать как одиночные.

Зона Б:

при L h

;

;

;

при h < L 6h

;

;

;

При расстоянии между стрежневыми молниеотводами L > 6h для построения зоны Б молниеотводы следует рассматривать как одиночные.

При известных значениях hc и L (при rcx = 0) высота молниеотвода для зоны Б определяется по формуле

h = (hc + 0,14L) / l,06

Зона защиты двух стержневых молниеотводов разной высоты h1, и h2 150 м приведена на рисунке 2.3 (рисунок 2.3).

Габаритные размеры торцевых областей зон защиты h01, h02, r01, r02, rx1, rx2 определяются по формулам п. 1.1, как для зон защиты обоих типов одиночного стержневого молниеотвода.

Габаритные размеры внутренней области зоны защиты определяются по формулам.

молниеприемник токоотвод сотовый связь

;

;

;

где значения hc1 и hc2 вычисляются по формулам для hc п. 2.1 настоящего приложения.

Для двух молниеотводов разной высоты построение зоны А двойного стержневого молниеотвода выполняется при L 4hmin, а зоны Б -- при L 6hmin. При соответствующих больших расстояниях между молниеотводами они рассматриваются как одиночные.

Рисунок 2.3 - Зона зашиты двух стержневых молниеотводов разной высоты (Обозначения те же, что и на рисунке 2.1)

2.2.3 Многократный стержневой молниеотвод

Зона защиты многократного стержневого молниеотвода (рисунок 2.4) определяется как зона защиты попарно взятых соседних стержневых молниеотводов высотой h 150 м (см. пп. 2.2.1, 2.2.2. настоящего приложения).

Рисунок 2.4 - Зона защиты (в плане) многократного стержневого молниеотвода (Обозначения те же, что и на рисунке 2.1)

Основным условием защищенности одного или нескольких объектов высотой hx с надежностью, соответствующей надежности зоны А и зоны Б, является выполнение неравенства rcx > 0 для всех попарно взятых молниеотводов. В противном случае построение зон защиты должно быть выполнено для одиночных или двойных стержневых молниеотводов в зависимости от выполнения условий.

2.2.4 Одиночный тросовый молниеотвод.

Зона защиты одиночного тросового молниеотвода высотой h150 м приведена на рисунке 2.5 (рисунок 2.5), где h - высота троса в середине пролета. С учетом стрелы провеса троса сечением 35-50 мм2 при известной высоте опор hоп и длине пролета а высота троса (в метрах) определяется:

h = hоп - 2 при а < 120 м;

h = hоп - 3 при 120 < а < 15Ом.

Рисунок 2.5 - Зона защиты одиночного тросового молниеотвода (Обозначения те же, что и на рисунке 2.1)

Зоны защиты одиночного тросового молниеотвода имеют следующие габаритные размеры.

Зона А:

;

Зона Б:

;

;

Для зоны типа Б высота одиночного тросового молниеотвода при известных значениях hx и rx определяется по формуле

2.2.5 Двойной тросовый молниеотвод

Зона защиты двойного тросового молниеотвода высотой h150 м приведена на рисунке 2.6 (рисунок 2.6). Размеры r0, h0, rx для зон защиты А и Б определяются по соответствующим формулам п. 2.2.2.4 настоящего приложения. Остальные размеры зон определяются следующим образом.

Рисунок 2.6 - Зона защиты двойного тросового молниеотвода

Зона А:

при L h

;

;

при h < L 2h

;

;

;

при 2h < L 4h

;

;

;

При расстоянии между тросовыми молниеотводами L > 4h для построения зоны А молниеотводы следует рассматривать как одиночные.

Зона Б:

при L h

;

;

при h < L 6h

;

;

;

При расстоянии между тросовыми молниеотводами L > 6h для построения зоны Б молниеотводы следует рассматривать как одиночные. При известных значениях hc и L (при rcx = 0) высота тросового молниеотвода для зоны Б определяется по формуле

h = (hc + 0,12L)/1,06.



Рисунок 2.7 - Зона защиты двух тросовых молниеотводов разной высоты

Зона защиты двух тросов разной высоты h1 и h2 приведена на рисунке 2.7 (рисунок 2.7). Значения r01, r02, h01, h02, rx1, rx2 определяются по формулам п. 4 настоящего приложения как для одиночного тросового молниеотвода. Для определения размеров rc и hс используются формулы:

;

где hc1 и hc2 вычисляются по формулам для hc П.5.1 настоящего приложения.

Далее по формулам того же п. 5.1 вычисляются , , .[15]

2.3 Активная защита - молниеприемник активного типа

В последнее время все большую популярность завоевывают так называемые активные молниеприемники, которые не просто принимают удар молнии на себя, но отводят ее от защищаемого объекта. Молниезащита такой молниеотвод представляет собой устройство, постоянно создающее серию коротких электрических импульсов между грозовой тучей и аппаратом за счет напряженности электромагнитного поля. Разряд молнии в защищаемой зоне попадет обязательно в эту систему, который после попадания в нее молнии не выходит из строя. Это устройство полностью автономно (не требует внешнего источника электропитания) и не требует технического обслуживания. [18]

Рассмотрим активный молниеприемник Galaсtive и активную молниезащиту ERITECH® INTERCEPTOR SI ESE.

Чтобы подобрать модель активного молниеприемника (Galaсtive1, Galaсtive2) (рисунок 2.8, 2.9) необходимо определить уровень защиты объекта. Затем в соответствующей таблице (уровень I, уровень II, уровень III) найти нужный луч, который зависит от модели элемента и высоты мачты (рисунок 2.10, 2.11).

Рисунок 2.8 - Внешний вид активного молниеприемника Galaсtive



1. Наконечник 2. Корпус из нержавеющей стали 3. Блок формирующий 4. Крепежный винт 5. Резьбовое соединение с мачтой 6. Опорная мачта

Рисунок 2.9 - Внешний вид и составные компоненты активной молниезащиты ERITECH® INTERCEPTOR SI ESE

Рисунок 2.10 - Зона защиты активного молниеприемника

Рисунок 2.11 - Сфера защиты активного молниеприемника

Радиус защиты и действия выбранного активного молниеприемника зависит от:

- Определенного уровня защиты (1, 2, 3) в соответствии со стандартом NF C 17-102;

- Определенного во время исследований в лаборатории:

ДT - времени опережения, которое получаем из разности величин:

ДT = TSR - TESE,

где TSR - время искрового перекрытия для стержня Франклина;

TESE - время искрового перекрытия для элемента Galaсtive.

Испытания производились в Варшавском Технологическом Университете (таблица 2.1-2.3). [1]

Таблица 2.1 - Радиус защиты Rp для уровня 1

H (высота)	2	3	4	5	6	7	10	15	20
Galaсtive 2	26	32	50	62	62	63	63	64	64
Galaсtive 1	18	27	36	44	45	45	45	46	46

Таблица 2.2 - Радиус защиты Rp для уровня 2

H (высота)	2	3	4	5	6	7	10	30	50
Galaсtive 2	33	48	64	80	80	81	82	88	89
Galaсtive 1	24	36	48	58	61	65	67	69	72

Таблица 2.3 - Радиус защиты Rp для уровня 3

H (высота)	2	3	4	5	6	7	10	30	50
Galaсtive 2	36	53	71	88	89	90	92	100	104
Galaсtive 1	27	40	53	67	68	69	70	80	86

H - высота мачты в метрах

Rp - радиус защиты в метрах

Работа активного молниеприемника разделяется на три этапа:

* Устройство ионизации заряжается через нижние электроды от окружающего электрического поля (несколько миллионов вольт/метр в грозовой обстановке). Это означает, что активный молниеприемник полностью автономная система, не требующая внешнего источника питания.

* Процесс ионизации контролируется устройством, которое обнаруживает появление нисходящего лидера молнии: напряженность локального электрического поля быстро увеличивается, когда разряд становится неизбежным.

* Активный молниеприемник обнаруживает изменения в поле, благодаря чему он является единственным молниеприёмником с упреждающей стриммерной эмиссией, реагирующим точно в момент прохождения нисходящего лидера от тучи к земле.

* Упреждающее инициирование восходящего лидера при помощи ионизации искровым разрядом между верхними электродами и центральным наконечником. Способность активного молниеприемника инициировать восходящий лидер прежде любой другой доминирующей над местностью точки в защищаемой зоне дает гарантию того, что именно громоотвод будет наиболее вероятной точкой удара разряда молнии.[2]

2.3.1 Преимущества применения активных молниеприемников по сравнению с другими методами

Радиусы защиты одностержневого молниеприемника, тросового молниеприемника и методом сетки (рисунок 2.12) определяются в соответствии с моделью катящегося шара и как выше было представлено, эти радиусы гораздо меньше чем активных молниеприемников (АМП) вследствие использования предупредительных разрядов.

Зоны защиты этих методов по сравнению с АМП имеют менее удачную форму, зона защиты АМП позволяет более надежно закрыть большую площадь.

Если необходимо защитить здание большой площади, то в случае применения АМП (рисунок 2.13), можно использовать 2-3 молниеприемника и устройства заземления к ним. Если не используем АМП, то необходимо применять метод сетки, т.е. укладывать металлическую сетку через расстояние 10 мм, и делать спуски заземлителями, что во много раз увеличивать расход металла, усложнять конструкцию, снижается надежность системы.

Рисунок 2.12 - Защита зданий с помощью тросовых молниеприемников (слева) и методом сетки (справа)

Рисунок 2.13 - Защита здания большой площади с помощью АМП

Установка одного АМП и контура заземления из нескольких заземлителей гораздо экономичнее по использованию металла по сравнению с методом сетки, тросовых и одиночных молниеотводов. Контур заземления для АМП прост в изготовлении, не надо рыть траншей по периметру здания и укладывать туда заземлители, как в случае пассивных молниеприемников. Кроме того, в методе сетки, например, сетка может оборваться и нарушится контур заземления.

АМП прост в установке, защищен от атмосферного воздействия, не требует обслуживания в процессе эксплуатации.[1]

2.4 Токоотводы и их типы

Токоотводы должны транспортировать ток молнии от молниеприемника к заземлителю молниеотвода. При нормировании они не привлекали к себе особого внимания. В нормативном документе “Инструкция по устройству молниезащиты зданий и сооружений РД 34.21.122-87” предписано, что в качестве токоотводов “всюду, где это, возможно, следует использовать металлические конструкции зданий и сооружений (колонны, фермы, рамы, пожарные лестницы и т.п., а также арматуру железобетонных конструкций) при условии обеспечения непрерывной электрической связи в соединениях конструкций и арматуры с молниеприемниками и заземлителями, выполняемых, как правило, сваркой. Что касается специально прокладываемых токоотводов, то их предписано располагать по внешнему периметру стен с шагом 25 м. При этом диаметр стального проводника не может быть меньше 6 мм. Каких-либо особых требований к токоотводам норматив РД 34.21.122-87 не предусматривает. Исключение составляет рекомендация не прокладывать токоотводы ближе 3 м от входов в здание, чтобы избежать поражения людей напряжением прикосновения.

Норматив 2003 г “Инструкция по устройству молниезащиты зданий, сооружений и промышленных коммуникаций” уделяет токоотводам больше внимания. Во-первых, частота размещения токоотводов по наружному периметру стен здания представляется зависимой от избранного уровня защиты. Для I уровня шаг расстановки токоотводов не должен превышать 10 м, а для каждого следующего уровня он увеличивается на 5 м. Таким образом, расстановка, токоотводов с шагом 25 м (как в РД 34.21.122-87) допускается только для IV уровня защиты. Во-вторых, норматив разрешает использовать для токоотводов не только сталь, но и цветные металлы, в том числе алюминий. Последнее важно, потому что в современном градостроительстве алюминиевые детали - важный элемент декоративной отделки стен и эти элементы декора часто удается использовать в качестве естественных токоотводов. Наконец, токоотводы разрешено помещать под декоративной отделкой стен, если отделочный материал негорючий. Тем самым снимается проблема порчи внешнего вида сооружения.

Неудовлетворенность нормативом возникает при попытке понять возможности использования естественных молниеотводов. В их роли норматив 2003 г видит металлические конструкции здания, в т.ч. с изоляционными покрытиями, металлические каркасы и опоры, стальную арматуру железобетонных конструкций. Электрическая непрерывность соединений должна быть долговечной, а сечение металла не меньше, чем это предписано специально монтируемым токоотводам (50, 25 и 16 мм2 для стали, алюминия и меди соответственно). Арматура железобетонных конструкций считается электрически непрерывной, если хотя бы 50% стержней соединены сваркой, болтовыми соединениями или вязкой проволокой. При столь подробном разъяснении деталей норматив, тем не менее, не дает ответа на фундаментальный вопрос: когда можно полагаться на естественные токоотводы и при каких обстоятельствах необходимо их прокладывать специально по внешней стороне стен здания.

Если беспокоиться о термическом воздействии тока молнии, то ситуация выглядит достаточно просто. Пропуская ток молнии, токоотвод не только не сгорит, но даже не перегреется. Действительно, по нормативным требованиям проектирование проводящих элементов молниеотводов I уровня защиты должно ориентироваться на удельную энергию разряда в 104 Дж/Ом. Чтобы определить фактическую энергию, выделившуюся в проводнике с током молнии, надо умножить это значение на сопротивление проводника. Например, для нормированного стального токоотвода сечением 50 мм2 это будет примерно 0,0022 Ом/м, что даст энерговыделение в 22 Дж/м. Такой энергии недостаточно, чтобы поднять температуру проводника хотя бы на 1000. Многочисленные токоотводы здесь не нужны, ибо по нагреву ситуация и так более чем благополучна. [15]

Другое дело электромагнитная обстановка. Чем на большее число проводников дробится ток молнии, тем слабее магнитное поле во внутреннем объеме здания, а значит, тем меньше ЭДС магнитной индукции, что возбуждается этим полем в любом контуре, например, в кабелях компьютеров или в цепях управления микропроцессорной техникой. В этом отношении каждый дополнительный токоотвод - реальное благо и их число желательно максимально увеличивать. [7]

Сказанное иллюстрируется результатами расчета рисунка 2.14 (рисунок 2.14). Для простоты вычислений рассмотрен объект в виде кругового цилиндра радиусом 25 м из непроводящего материала. Вертикальные токоотводы размещены с равным шагом по внешней стороны стены; влияние путей растекания тока молнии по поверхности крыши во внимание не принималось. Произведенная оценка напряженности магнитного поля H выполнена для контрольных точек на средних этажах объекта, где токоотводы в первом приближении можно рассматривать как неограниченно длинные; расчетные значения напряженности H отнесены к полному току молнии I. При 2-х токоотводах (минимально допустимое количество) поле H, в силу радиальной симметрии равное 0 в центре очень заметно нарастает по мере приближения к наружной стене. Уже на расстоянии r = 5 м от оси значение H/I достигает 10-3 м-1, а при r = 18 м увеличивается еще в 10 раз. Далее, в направлении внешней стены с токоотводами магнитное поле нарастает очень быстро, приближаясь к H/I ~ 1 м-1.



Рисунок 2.14 - Распределение магнитного поля по радиусу внутри цилиндрического объекта радиусом 25 м; отсчет расстояния производится от центра цилиндра

Увеличение числа токоотводов эффективно снижает магнитное поле тока молнии в средней части объема здания. Так, при использовании 6-ти токоотводов H/I < 10-3 м-3 на расстоянии r ? 17 м от оси, а в случае 24 токоотводов - при 23 м. Фактически в неблагоприятных условиях оказывается только внутреннее пространство защищаемого объекта, близко примыкающее к стенам с токоотводами, где магнитное поле определяется лишь током ближайшего из токоотводов, а экранирующие эффекты проявляются слабо. В качестве примера на рис. 2.14 построена зависимость от числа токоотводов приведенного значения H/I на внутренней поверхности стены толщиной 10 см (расчетная точка расположена непосредственно напротив токоотвода). Можно видеть, что очень резкое ослабление начинается в случае использования сотен токоотводов, когда расстояние между ними сопоставимо с расстоянием до расчетной точки. Столь большое число токоотводов реально, когда их роль исполняет железобетонная арматура защищаемого сооружения. [13]

Вернемся теперь к вопросу о внутренних фермах и колоннах, которые рекомендовано использовать в качестве естественных токоотводов. Подобная рекомендация представляется крайне неосмотрительной. Чтобы убедиться в этом стоит рассмотреть предельную ситуацию, положив, что ток молнии устремляется к заземлителю через единственную металлическую колонну в центре сооружения, а токоотводы по внешней поверхности стен не проложены. Для I уровня защиты норматив 2003 г. предписывает ориентироваться на среднюю крутизну фронта тока Ai= 2ґ1011 А/м. При столь быстром нарастании на расстоянии r от центра колонны в контуре площадью S магнитное поле тока возбудит ЭДС индукции предельной величиной

где m0 - магнитная проницаемость вакуума. Даже при достаточно большом удалении от колонны r ~ 10 м наведенное напряжение в контуре S = 1 м достигнет 4000 В и будет представлять реальную опасность аппаратуры в сети 220 В. Что же здесь говорить о цепях микропроцессорной техники с напряжением питания менее 10 В. Для их повреждения достаточно взаимодействия с магнитным полем тока молнии контуров площадью порядка 0,01 м2, в роли которых могут выступать, например, провода цепей низковольтного питания. Конечно, коммуникации низковольтного оборудования можно экранировать или защищать ограничителями перенапряжений, но при исключительно разветвленной и протяженной цепи систем управления, релейной защиты и автоматики прибегать к таким мерам надо возможно реже. Начинать следует с организации разумного отвода тока молнии в землю, при которой он минимальным образом нагрузит металлоконструкции во внутреннем объеме здания. Прокладка токоотводов по внешней поверхности стен здания служит и для этой цели.



Рисунок 2.15 - Зависимость от числа токоотводов напряженности магнитного поля на внутренней поверхности диэлектрической стены толщиной 10 м. Объект выполнен в виде кругового цилиндра радиусом 25 м

Полезно еще раз вернуться к простейшему примеру с цилиндрическим объектом. Допустим, что по его оси располагается вертикальная колонна. Расчетные данные на рисунке 2.15 (рисунок 2.15) демонстрируют долю тока молнии в колонне в зависимости от числа токоотводов на внешних стенах. Расчет справедлив для наиболее опасного по электромагнитному воздействию импульса тока молнии с коротким (менее 1 мкс) фронтом, когда на распределение тока практически не влияет ни сопротивление токоотводов, ни их радиус. [28]



Рисунок 2.16 - Доля тока в центральной колонне цилиндрического объекта радиусом 25 м в зависимости от числа токоотводов на внешней поверхности стен

Можно видеть, что при монтаже токоотводов с шагом 10 м (16 токоотводов по периметру объекта), как это предписано в нормативе 2003 г для I уровня защищенности, в центральной колонне останется только 5% тока молнии, а при увеличении числа токоотводов более чем до 100 можно снизить токовую нагрузку до 1%. В те же десятки раз упадет и напряжение магнитной индукции. Для сопоставления отметим, что в типовом решении с 2-мя токоотводами по центральной колонне пройдет более 30% тока молнии (рисунок 2.16).

Остается еще раз повторить, что сотни токоотводов не попадают в разряд фантастических решений. В их роли вполне может выступать стальная арматура железобетонных стен или, например, металлические каркасы стеклопакетов.

В итоге проведенного рассмотрения, очевидно, что ни при каких обстоятельствах нельзя направлять значительную долю тока молнии локально во внутрь зданий (например, направляющие лифтов в кирпичных зданиях и т.п.), потому что это верный путь к резкому увеличению ЭДС магнитной индукции во внутренних электрических цепях объекта.

При современном индустриальном строительстве зданий, как правило, возводятся несущие пространственные железобетонные и металлические электропроводящие конструкции, а также монтируются фасадные металлические конструкции. В случае использования их в качестве естественных токоотводов возможность локального «опасного» протекания тока молнии внутрь здания отсутствует.[20]

Примеры защиты антенн от прямого разряда, и защиты антенных кабелей от воздействия тока молнии приведены на рисунке 2.17 (рисунок 2.17).

Рисунок 2.17 - Размещение антенных мачт в защищаемых вертикальными молниеотводами пространствах

В представленных решениях следует сохранять требуемые защитные расстояния между мачтой и антеннами, молниеотводом и другими элементами молниезащитного устройства.

Если сохранение требуемых защитных расстояний или создание защищаемых пространств вертикальными молниеотводами является трудным или невозможным реализовать, то можно применить токоотводы HVI (High Voltage Insulated), производящихся фирмой DEHN. Эти токоотводы имеют изоляцию высокого напряжения, покрытую полупроводящим слоем и ее можно применять в случае необходимости монтирования токоотводов рядом с заземленными проводящими инсталляциями или устройствами.

Применение таких токоотводов устраняет требование сохранения безопасных расстояний, составляющих около 0,75 м для расстояний в воздухе и около 1,5 м для расстояний в твердом диэлектрике (рисунок 2.18).

Рисунок 2.18 - Готовые токоотводы в изоляции высокого напряжения с различными концами и скобами для монтажа

Токоотводы в изоляции могут заменить представленные классические решения с креплением изоляционных кронштейнов (рисунок 2.19 б).

Стандартные способы молниезащиты предусматривают соединение всех металлических частей строения между собой для снижения разницы потенциалов. Это позволяет исключить возможное опасное искрообразование. Данное решение обеспечивает безопасность людей и защиту объекта от взрывов, пожаров и разрушений при воздействии молнии.

Теле- и спутниковые антенны, антенны связи и передачи данных, системы кондиционирования и другое электротехническое оборудование при таком решении остаются уязвимыми к воздействиям молнии. При этом для защиты оборудования необходимо исключить возможность наведения потенциала на корпус. Международные стандарты, в частности МЭК 62305, рекомендует применение электрически изолированной системы молниезащиты от оборудования.

Традиционным способом добиться безопасного расстояния было установка изолированных дистанционных кронштейнов длиной до 1000мм между токоотводом и оборудованием. Однако их применение ограничивается высокой стоимостью, сложностью монтажа, и на высотных объектах и мачтах их применение не всегда является экономически и технически обоснованным решением.

Рисунок 2.19 - Защита антенн от прямого удара молнии:

Пример использования токоотводов HVI для защиты антенн базовых станций сотовой связи представлен на рисунке 2.20.

Компанией ERICO®, имеющей 25-летний опыт разработки и применения молниезащитных систем, был разработан изолированный токоотвод ERITECH®, позволяющий решить данную проблему.

Преимущество данного токоотвода заключается в том, что он может быть установлен непосредственно на мачте или строении, обеспечивая безопасное расстояние соответствующее воздушной изоляции равной 1000мм.

Эффективность разработанного компанией ERICO® изолированного токоотвода, была подтверждена многолетним опытом эксплуатации на тысячах объектов по всему миру. Для реализации этой системы используются полупроводниковые внешние оболочки, предотвращающие пробой кабеля, при этом соединение со строением осуществляется через промежуточные опоры токоотвода.

Рисунок 2.20 - Пример использования кабеля в изоляции высокого напряжения, покрытой полупроводящим материалом, для отвода тока молнии

Изолированный токоотвод разработан, испытан и эксплуатируется согласно требованиям стандартов молниезащиты МЭК 62305 (рисунок 2.21).

Рисунок 2.21 - Изолированный токоотвод

Рисунок 2.22 - Конструкция и способ присоединения изолированного токоотвода

Система изолированного токоотвода ERICO® оснащается обычным молниеприемником, который смонтирован на пластмассовой мачте, усиленной стекловолокном. Находящийся внутри мачты изолированный токоотвод соединен с молниеприемником. Мачта обладает естественными изоляционными свойствами, высокой прочностью и небольшим весом, что уменьшает механические нагрузки на мачту (рисунок 2.22).

2.4.1 Проектирование и эксплуатация

Состав и принцип работы системы изолированного токоотвода ERITECH® основан на требованиях МЭК 62305-3 (Молниезащита - Часть 3.Физические повреждения сооружений и угрозы жизни и здоровью человека). Проектирование системы молниезащиты на основе изолированного токоотвода ERITECH® должно включать следующие этапы:

1 этап. Определение необходимой высоты молниеприемника, обеспечивающей защиту объекта в соответствии с Методом Защитного Угла по МЭК 62305 (рисунок 2.23-2.25).

Уровень молниезащиты может быть определен согласно параметрам Оценки Риска по МЭК 62035-2, либо выбирается 1й уровень молниезащиты для обеспечения максимальный защиты здания или сооружения.

Используя эту информацию, проектировщик должен определить необходимую минимальную высоту молниеприемника над верхней точкой защищаемой мачты или объекта. (Примечание: Изолированный токоотвод ERITECH® размещается на высоте минимум 2 метра над объектом).

2 этап. Определение высоты молниеприемника и подбор подходящего уровня молниезащиты соответствующего изоляционному расстоянию (МЭК 62305-3 параграф 6.3) не превышающему 1000 мм. (см. стр. 5)

3 этап. Подбор соответствующих комплектующих для монтажа системы изолированного токоотвода ERITECH® из каталога ERICO. Определение требований к установке оборудования и проектирование подключения к заземляющему устройству или молниезащитной системе.

Рисунок 2.23 - Проектирование методом защитного угла

Рисунок 2.24 - МЭК 62305, часть3. Выбор защитного угла

Уровень молниезащиты Максимальное значение тока (10/350µs)

Допускаемая погрешность

I 200кА < 1 %

II 150кА <3 %

III 100кА <9 %

IV 100кА < 16 %

Рисунок 2.25 - МЭК 62305 Электрическая изоляция и безопасное расстояние

Электрическая изоляция между молниеприемником или токоотводом и защищаемыми внутренними или наружными металлическими и электрическими частями, может быть обеспечена необходимым безопасным расстоянием s между этими элементами, которое определяется по формуле:

МЭК 62305-3 Раздел 6.3, формула 4

где Ki - зависит от выбранного уровня молниезащиты;

Kc - зависит от тока молнии, протекающего по токоотводу (kc = 1 для одиночного токоотвода);

Km -зависит от электрического сопротивления изоляционного материала (k = 1 для воздуха);

l - длина [м], токоотвода от точки определения наименьшего допустимого расстояния до ближайшей точки уравнивания потенциалов (т.е. как правило, до нижней концевой заделки).[5]

2.4.2 Испытания и сертификация

Изолированная внешняя система молниезащиты подробно описана в стандарте МЭК 62305. Она основана на обеспечении необходимого воздушного зазора между неизолированным токоотводом и защищаемым объектом. Это расстояние называется «Безопасным расстоянием».

Изолированный токоотвод ERITECH® был успешно испытан в независимой лаборатории Института Прикладных Наук г.Киля, Германия, использовавшей распространенный метод испытаний "Zischank" (рисунок 2.26). При использовании данного метода кабель определенной длины испытывается при помощи импульсов высокого напряжения по отношению к воздушному зазору. Если параллельный воздушный зазор, в отличие от кабеля, многократно пробивается, то эквивалентное безопасное расстояние кабеля больше чем расстояние воздушного зазора.[9]

Рисунок 2.26 - Испытания изолированного токоотвода ERITECH

Как и в случае молниеотводов, в качестве токоотводов следует использовать как естественные, так и искусственные проводящие элементы. Наименьшие размеры проводящих элементов, которые можно использовать для отведения тока молнии составляют:

- Оцинкованная сталь - 50 мм2 ;

- Алюминий - 25 мм2 ;

- Медь - 16 мм2 .

Схема токоотводов должна обеспечить параллельные пути для протекания тока молнии от точки удара в землю. Токоотводы следует устанавливать вдоль прямых и вертикальных трасс между молниеотводом и заземляющим проводником. Число отводов не может быть меньше двух.

Анализ молниеприемной горизонтальной сетки с размерами, зависящими от уровня защиты, показывает необходимость такого расположения токоотводов, чтобы по возможности создавалось бы непрерывное продолжение горизонтальных молниеотводов.

При анализе угрозы устройствам, установленным на стенах объекта (таблица 2.4), следует также принимать во внимание расположение защитных зон. В этих случаях расстояние между устройством и проводами электроустановке должно быть настолько большим, чтобы не могло возникнуть искровое перекрытие (рисунок 2.27).

Таблица 2.4

Расстояние между токоотводами и стенами строительных объектов

Минимальное расстояние от стены здания
Стена из несгораемого или трудносгораемого материала	Стена из сгораемого материала

*- рост температуры токоотвода при протекании тока молнии не опасен для материала стены

** - температура провода превышает допустимые величины для сгораемого материала стены [10,12]

Рисунок 2.27 - Примеры расположения токоотводов на различных зданиях

2.5 Заземляющие устройства

По расположению в грунте и форме электродов заземлители делятся на:

а) углубленные - из полосовой (площадью сечения 40ґ4 мм) или круглой (диаметром 20 мм.) стали, укладываемые на дно котлована в виде протяженных элементов или контуров по периметру фундаментов. В грунтах с электрическим удельным сопротивлением r = 500 ОмЧ м в качестве углубленных заземлителей может использоваться арматура железобетонных свай и железобетонных фундаментов других видов;

б) горизонтальные - из полосовой (площадью сечения 40ґ4 мм) или круглой (диаметром 20 мм) стали, уложенные горизонтально на глубине 0,6-0,8 м от поверхности земли или несколькими лучами, расходящимися из одной точки, к которой присоединяется токоотвод;

в) вертикальные - из стальных, вертикально ввинчиваемых стержней (диаметром 32-56 мм) или забиваемых электродов из угловой (40ґ40 мм) стали. Длина ввинчиваемых электродов должна приниматься 3-5 м, забиваемых - 2,5-3 м. Верхний конец вертикального заземлителя должен быть заглублен на 0,5-0,6 м от поверхности земли;

г) комбинированные - вертикальные и горизонтальные, объединенные в общую систему. Присоединение токоотводов следует проводить в середину горизонтальной части комбинированного заземлителя.

В качестве комбинированных следует применять сетки с глубиной заложения 0,5-0,6 м или сетки с вертикальными электродами. Шаг ячеек сетки должен быть не менее 5-6 м;

д) пластинчатые - для судов с взрывчатыми материалами, корпуса которых изготовлены из непроводящего материала.[3]

Все соединения электродов заземлителей между собой и с токоотводами должны проводиться сваркой. Длина сварочного шва должна быть не менее двойной ширины свариваемых полос и не менее 6 диаметров свариваемых круглых проводников.

Болтовой контакт допускается только при устройстве временных заземлителей и в местах соединения между собой отдельных контуров.

Проектирование заземлителей должно нестись с учетом неоднородности грунта.

Конструкция заземлителей выбирается в зависимости от требуемого импульсного сопротивления с учетом структуры и электрического удельного сопротивления грунта, а также удобства ведения работ по их укладке. Типовые конструкции заземлителей и значения их сопротивления растеканию тока промышленной частоты R ~ , Ом.