CC BY
99
СУЩЕСТВУЮЩЕЕ СОСТОЯНИЕ ГРОЗОЗАЩИТЫ ОБЪЕКТОВ В СЕЛЬСКОЙ МЕСТНОСТИ И ИХ НЕДОСТАТКИ
Степанов Денис Александрович
аспирант, Марийский государственный университет,
РФ, г. Йошкар-Ола E-mail: [email protected]
Чесноков Александр Леонидович
аспирант, Марийский государственный университет,
РФ, г. Йошкар-Ола E-mail: chesnokov 12345@bk. ru
Рыбаков Леонид Максимович
д-р тех. наук, профессор кафедры электроснабжения и технической диагностики, Марийский государственный университет,
РФ, г. Йошкар-Ола E-mail: _ [email protected]
THE EXISTING CONDITION OF LIGHTING PROTECTION OF OBJECTS IN RURAL AREAS AND THEIR SHORTCOMINGS
Denis Stepanov
Postgraduate student, Mari State University,
Russia, Yoshkar-Ola
Alexander Chesnokov
Postgraduate student, Mari State University,
Russia, Yoshkar-Ola
Leonid Rybakov
Doctor of technical sciences, professor of Power Supply and Technical Diagnostics
Chair, Mari State University Russia, Yoshkar-Ola
Степанов Д.А., Чесноков А.Л., Рыбаков Л.М. Существующее состояние грозозащиты объектов в сельской местности и их недостатки // Universum: Технические науки : электрон. научн. журн. 2015. № 7 (19) . URL: http://7universum.com/ru/tech/archive/item/2407
АННОТАЦИЯ
В данной статье рассмотрены причины и последствия поражения зданий и сооружений прямыми ударами молний. Приведена статистика МЧС России о числе пожаров, вызванных грозовыми разрядами. Рассмотрены недостатки существующих систем молниезащиты объектов, расположенных в сельской местности. Представлены результаты экспериментальных исследований поражения объектов сельской местности от высоты ориентации лидера молнии.
ABSTRACT
In this article the reasons and consequences of defeat of buildings and constructions are considered by direct strokes of lightnings. The statistics of Emercom of Russia about number of the fires caused by lightning discharges is given. Shortcomings of the existing systems of lightning protection of the objects located in rural areas are considered. Results of pilot studies of defeat of objects of rural areas from height of orientation of the leader of a lightning are presented.
Ключевые слова: грозовая деятельность, молниезащита, пожарная безопасность, материальный ущерб, лидер молнии, индуктированные перенапряжения, разряд молнии, молниеотводы.
Keywords: the storm activity, lightning protection, fire safety, material damage, the leader of a lightning, induced an overstrain, a lightning discharge, lightning rods.
Введение
В последние годы на нашей планете в условиях изменяющегося климата наблюдается заметное увеличение грозовой активности, которая в некоторых случаях достигает высокой непредсказуемой интенсивности. Во время грозовой деятельности небо пронзают завораживающие взгляд разряды — молнии, которые можно классифицировать по траектории их следования. Наибольшую опасность представляют молнии, которые образуются между грозовым облаком и поверхностью земли. Разряд «облако — земля» — это очень длинная искра, несущая электрический заряд, которая возникает при определенном значении
напряженности между грозовой тучей и землёй. Разряды молнии несут в себе большую угрозу для людей, зданий, сооружений, инженерных коммуникаций. Даже непрямой удар может быть потенциально опасен или смертелен, так как грунт в разной степени является хорошим проводником для электрического тока. Например, если молния попадет в растущее на лугу дерево, где поблизости пасутся лошади, то током может убить животных, находящихся на расстоянии нескольких метров от места разряда [3].
Интенсивность грозовой деятельности по республике Марий Эл Согласно ПУЭ [2] РМЭ по числу грозовых часов в год относиться к средней зоне по интенсивности грозовой деятельности. По данным гидрометеостанций Республики Марий Эл (РМЭ), расположенных в г. Козьмодемянске, г. Йошкар-Оле, п. Морки, п. Новом Торъяле, за последний 31 год наблюдается рост интенсивности грозовой деятельности, который составляет более 120 грозовых часов в год. На рисунке 1 показаны средние значения интенсивности грозовой деятельности по данным наблюдениям за 31 год по Республике Марий Эл.
Рисунок 1. Средние значения интенсивности грозовой деятельности за 31 год
Данные наблюдений по интенсивности грозовой деятельности в РМЭ за последние 10 лет приведены в таблице 1.
Таблица 1.
Интенсивность грозовой деятельности по республике Марий Эл
за 10 лет (в часах)
Расположение метеостанций Месяцы
месяцы апрель май июнь июль август сентябрь сумма среднее
Йошкар-Ола 0.44 6.79 13.55 15.53 9.01 1.06 44.06 8.02
Козьмодемьянск 0.58 9.51 20.66 24.43 19.84 3.29 77.27 13.22
Морки 2.74 10.78 16.91 17.84 13.68 2.61 64.55 14.77
Нартас 0.24 11.88 22.97 20.45 17.73 2.12 75.38 12.74
Торъял 0.34 7.19 15.68 14.45 8.11 1.08 45.65 8.12
Сумма 4.35 46.14 89.78 92.64 72.38 10.15 306.94 58.87
Среднее 0.67 8.23 16.96 17.53 12.68 1.33 75.6 11.37
Анализ поражений грозовыми разрядами зданий и сооружений, расположенных в сельской местности
По данным МЧС России, немалая доля возгораний зданий и сооружений происходит по причине прямого попадания разрядов молнии (рисунок 2).
1400 1200 1000
800
ct 01
600 400 200 0
Рисунок 2. Количество пожаров в Российской Федерации за 2003—2014 гг., причиной каждого из которых стал грозовой разряд
2003 г. 2004 г. 2005 г. 2006 г. 2007 г. 2008 г. 2009 г. 2010 г. 2011 г. 2012 г. 2013 г. 2014 г.
В большинстве случаев от ударов молнии страдают объекты, расположенные на возвышенностях либо вблизи водоема. По данным МЧС по Республике Марий Эл, только за июнь месяц 2014 г. вследствие грозовых разрядов произошло возгорание семи сельских домов и садовых участков (рисунок 3), а также были случаи поражения ЛЭП и несколько лесных пожаров (рисунок 4).
а) б)
Рисунок 3. Результат поражения молнией дома в деревне Ермучаш Параньгинского района (а), в деревне Малая Орша, Оршанского района (б)
(2014)
Рисунок 4. Результат поражения молнией линии электропередач 0,4 кВ в Параньгинском районе (2014)
В настоящее время хозяевами сельских домов устанавливается множество различной сложной и дорогостоящей бытовой техники (телевизоры, холодильники, компьютеры, водонагреватели, кондиционеры). Вследствие этого потребление электроэнергии возросло в 2—3 раза, а вопросы электромагнитной совместимости в системах электроснабжения объектов в сельской местности в вопросах не отработана, и она не имеет защиту от прямых ударов и от вторичных воздействий токов молнии. Руководящие документы, используемые при проектировании грозозащиты сооружений в сельской местности, не отражают решения проблем по электромагнитной совместимости, поэтому необходимы дальнейшее исследования
по совершенствованию грозозащиты с увеличением возросших требований. Следовательно, защита объектов в сельской местности от поражений молнией должна решаться комплексно. Поэтому нужно дальнейшее исследование случаев поражения объектов как от прямых ударов молнии, так и от вторичных индуцированных перенапряжений для дальнейших разработок мероприятий по эффективному использованию средств защиты.
Недостатки молниезащиты объектов в сельской местности
Постройки в сельской местности не имеют необходимой устойчивости к ударам молний, так как при их строительстве используются легко возгораемые и легко прожигаемые материалы. Так, древесина возгорается от прямого попадания молнии, популярная в настоящее время металлочерепица легко прожигается насквозь, что приводит к очагам возгорания. Также на участках отсутствуют какие-либо системы молниезащиты. Экономия на данной системе безопасности может привести к серьезным последствиям: разрушению зданий, травмам и гибели людей, отказу в работе современной электроаппаратуры.
На примере формирования нормативной базы промышленно развитых стран за последние двадцать лет, можно сделать вывод, что молниезащита как набор норм, методов и средств является динамично развивающейся частью мировой техники. Основополагающие нормы РФ в этой области, введенные в действие в 80-х годах (РД 34.21.122-87) [1], не отражают в полной мере достижений современных требований к средствам защиты различных видов техники.
Как сказано выше, в Республике Марий Эл наблюдается увеличение интенсивности грозовой деятельности, однако используется старая нормативная база по защите объектов от перенапряжений, что не соответствует современным требованиям. Возросшее количество поражений объектов в сельской местности от прямых ударов молнии и от вторичных токов молнии, требует совершенствования системы внешней и внутренней молниезащиты зданий и сооружений.
Экспериментальные исследования поражаемости объектов сельской местности от высоты ориентации лидера молнии и влияющих факторов
окружающей среды
В РД 34.21.122-87 «Инструкция по устройству молниезащиты зданий и сооружений» [1] говорится о связи между радиусом стягивания молнии Ro и высотой защищаемого объекта h. Значение Ro рекомендуется принять равную 3h. Данное значение рекомендуется для расчета числа поражений грозовым разрядом объектов. Здесь же для небольших строений выполнение молниезащиты вообще не рекомендуется. Эти положения не подтверждены ни теоретически, ни экспериментально. В связи с этим в лаборатории ТВН Марийского государственного университета проведены экспериментальные исследования для проверки гипотезы о стягивании лидера молнии на наземные объекты при высоте лидера 3h и более. Эксперименты проводились с учетом различных воздействующих факторов (Х1 — интенсивность дождя, Х2 — скорость ветра, Х3 — ионизация воздуха), влияющих на радиус стягивания лидера молнии. Объект поражения — четыре сельских дома (высота 7 м, ширина 6 м, длина 11 м), крыша домов из оцинкованного железа, и заземлены в одной точке. Масштаб размеров домов уменьшен в 100 раз, аналогично высота ориентировки молнии также уменьшена в 100 раз. Схема проведения эксперимента приведена (рисунок 4). Использовалась следующая градация высоты ориентировки тока молнии до поражаемых объектов: 3h, 6h, 9h, т. е. 21, 42, 63 метра.
Рисунок 4. Схема проведения эксперимента по выявлению воздействующих факторов: 1— 4—макеты домов; 5 — вентилятор, имитирующий ветер;
6 — пульверизатор установка, имитирующая дождь; 7—установка ультрафиолетового облучения, имитирующая солнечный свет.
Результаты экспериментальных данных о поражаемости моделей объектов в зависимости от высоты ориентировки лидера молнии и воздействующих факторов приведены в таблице 2.
Таблица 2.
Результаты экспериментальных данных
№ п/п Фактор Высота Максимальный радиус поражения Rx, м Место повреждения
1 2 3 4
1 — 3h 5 Земля
2 6h 14 Земля, макет № 1, 4
3 9h — макет № 1, 2, 3
4 X1(1 мм/мин) 3h 3 Земля
5 6h 7 Земля
6 9h 9 Земля
7 X1(2 мм/мин) 3h 5 Земля
8 6h 9 Земля
9 9h 12 Земля, макет № 1, 3
10 X1(3 мм/мин) 3h 7 Земля
11 6h 12,5 Земля
12 9h — макет № 1, 2, 4
13 X2(V1) 3h 4 Земля
14 X2(V2) 8
15 X2(V3) 9
17 X2(V1) 6h 6,5 Земля
18 X2(V2) 7
19 X2(V3) 17,5
20 X2(V1) 9h — макет № 2
20 X2(V2) макет № 1
22 X2(V3) макет № 1
23 X3(30c) 3h 3 Земля
24 6h 4 Земля
25 9h 6 Земля
26 X3(60c) 3h 4 Земля
27 6h 6 Земля
28 9h 9 Земля
29 X3(90c) 3h 5 Земля
30 6h 7 Земля
31 9h 21 макет № 3
32 X1X2(V1,3мм/мин) 3h 2,5 Земля
33 X1X2(V2, 3мм/мин) 4,5
34 X1X2(V3, 3мм/мин) 6,5
35 X1X2(V1,3мм/мин) 6h 2,5 Земля
36 X1X2(V2, 3мм/мин) 4,5 Земля
37 X1X2(V3, 3мм/мин) 4,5 Земля
38 X1X2(V1,3мм/мин) 9h — макет № 3
39 X1X2(V2, 3мм/мин) макет № 3
40 X1X2(V3, 3мм/мин) макет № 3
41 X2X3CV1, 60с) 3h 2,5 Земля
42 X2X3(V2,60c) 6 Земля
43 X2X3(V3, 60с) 6,5 Земля
44 X2X3(V1, 60с) 6h 6,5 Земля
45 X2X3(V2, 60с) 13 Земля
46 X2X3(V3, 60с) 13 Земля
47 X2X3(V1, 60с) 9h — макет № 4
48 X2X3(V2, 60с) — макет № 1, 3
49 X2X3(V3, 60с) — макет № 2, 3
50 X1X3(3 мм/мин, 60с) 3h 8 Земля
51 6h 11 Земля
52 9h — макет № 1, 2, 3
53 X1X2 X3 (3мм/мин, V1, 60с) 3h 3,5 Земля
54 X1X2 X3 (3мм/мин, V2, 60с) 6
55 X1X2 X3 (3мм/мин, V3, 60с) 9
56 X1X2 X3 (3мм/мин, V1, 60с) 6h 8 Земля
57 X1X2 X3 (3мм/мин, V2, 60с) 11
58 X1X2 X3 (3мм/мин, V3, 60с) 17
59 X1X2 X3 (3мм/мин, V1, 60с) 9h — макет № 1, 2, 4
60 X1X2 X3 (3мм/мин, V2, 60с) макет № 1, 2
61 X1X2 X3 (3мм/мин, V3, 60с) макет № 1, 2
Выводы
1. Выявлено влияние на радиус стягивания лидера молнии всех трех факторов.
2. Не подтверждены данные РД 34.21.122-87 [1] об ориентировке лидера молнии на защищаемые объекты при высоте лидера 3h.
3. Установлено уменьшение радиуса поражения при воздействии в отдельности фактора интенсивность дождя, скорости ветра, ультрафиолетового излучения.
4. Наибольшее поражение макетов домов наблюдалось при воздействии всех трех факторов.
Список литературы:
1. «Инструкция по устройству молниезащиты зданий и сооружений». РД 34.21.122-87 Минэнерго СССР. — М.: Энергоатомиздат, 1989. — 19 с.
2. Правила устройства электроустановок (ПУЭ), 7-е издание. 2 выпуск. — Новосибирск: Сиб. унив. изд-во, 2005. — 856 с., ил.
3. Рыбаков Л.М., Макарова Н.Л. Изоляция и перенапряжения. — Йошкар-Ола: Марийский государственный университет, 2013. — 320 с.
