Návrh ochrany energetického zařízení před bleskem je tématem vědeckého článku o elektrotechnice, elektronickém inženýrství a informačních technologiích. Přečtěte si text výzkumné práce zdarma v elektronické knihovně CyberLeninka.

Abstrakt vědeckého článku o elektrotechnice, elektronickém inženýrství, informačních technologiích, autor vědecké práce – Nemirovsky Alexander Emelyanovich, Zubov Kirill Nikolajevič

Článek je věnován metodice pro stanovení parametrů vnější ochrany před bleskem s ohledem na požadavky domácí a mezinárodní regulační dokumentace. Pro určení vnější ochranné zóny systému bleskosvodů ve výšce chráněného zařízení s ohledem na posouzení rizik odpovídající specifikám projektovaného objektu byl implementován matematický model ve formě počítačového programu „Shchit-M“ v systému Mathcad.

Podobná témata vědeckých prací z oblasti elektrotechniky, elektronického inženýrství, informačních technologií, autor vědecké práce — Nemirovsky Alexander Emelyanovich, Zubov Kirill Nikolajevič

Variabilní přístup k ochraně budov, staveb a technických zařízení před bleskem
Výzkum ochrany před bleskem v otevřených rozvodných zařízeních elektrických elektráren a rozvoden

Moderní přístupy k navrhování ochrany před bleskem pro nebezpečná průmyslová zařízení s využitím automatizovaných systémů

Srovnávací analýza tradiční a aktivní ochrany před bleskem
Stanovení výšky hromosvodů rozvodny
i Nemůžete najít, co potřebujete? Vyzkoušejte službu výběru literatury.

Článek je věnován metodikám stanovení kritérií vnější ochrany před bleskem v souladu s požadavky domácí a mezinárodní normativní dokumentace. Matematický model je implementován jako program „Shield-M“ pro PC v systému MathCad. Program určuje vnější ochranné zóny pro systém bleskosvodů umístěný na úrovni chráněného zařízení s ohledem na odhad rizik odpovídajících specifikám navrhovaného objektu.

Text vědecké práce na téma “Návrh ochrany před bleskem energetického zařízení”

NÁVRH OCHRANY PŘED BLESKEM PRO ELEKTRICKÉ ZAŘÍZENÍ

© 2009 A.E. Nemirovsky, K.N. Zubov

Vologodská státní technická univerzita

Technická univerzita ve Wologdě

Článek je věnován metodice pro stanovení parametrů vnější ochrany před bleskem s ohledem na požadavky domácí a mezinárodní regulační dokumentace. Pro určení vnější ochranné zóny systému bleskosvodů ve výšce chráněného zařízení s ohledem na posouzení rizik odpovídající specifikám projektovaného objektu byl implementován matematický model ve formě počítačového programu „Shchit-M“ v systému Mathcad.

Klíčová slova: hromosvod; ochranná zóna; automatizace; ochranný poloměr; výpočet.

Článek je věnován metodikám stanovení kritérií vnější ochrany před bleskem v souladu s požadavky domácí a mezinárodní normativní dokumentace. Matematický model je implementován jako program „Shield-M“ pro PC v systému MathCad. Program určuje vnější ochranné zóny pro systém bleskosvodů umístěný na úrovni chráněného zařízení s ohledem na odhad rizik odpovídajících specifikám navrhovaného objektu.

Klíčová slova: hromosvod; ochranná zóna; automatizace; ochranný poloměr; výpočet.

V poslední době se problém organizace kompetentního systému ochrany před bleskem stává stále relevantnějším. Jeho příčiny je třeba hledat nejen ve zvýšených požadavcích na ochranu digitálních zařízení před sekundárními projevy blesku, ale také v existujících metodách výpočtu ochranných pásem před přímými údery blesku [1]. Například v klasickém schématu organizace ochrany před bleskem pro elektrickou rozvodnu se portály používají jako podpěry pro bleskosvody, což umožňuje použití velkého počtu takových bleskosvodů bez výrazného zvýšení nákladů na projekt [2]. Hlavní nevýhoda tohoto schématu se odráží v doporučeních [3], která uvádějí minimální vzdálenost (10 m) od základny sloupků bleskosvodů k trasám sekundárního obvodu. Smyslem tohoto požadavku je snížit dopad impulzních proudů blesku na výkon mikroprocesorového zařízení. V tomto případě musí být stožáry bleskosvodů umístěny podél obvodu buněk rozváděče a nejčastěji mimo něj. Takovými prvky ochrany před bleskem mohou být koncové podpěry nadzemního elektrického vedení, rádiových stožárů, osvětlovacích stožárů nebo volně stojící bleskosvody.

Tento přístup vyžaduje podrobnou studii všech možných variant umístění volně stojících nebo lanových hromosvodů s jejich minimálním počtem, protože toto schéma výrazně zvyšuje náklady na projekt. Využití území pro hromosvody mimo rozvodnu také vede ke zvýšení nákladů na projekt.

Zvýšené požadavky na organizaci ochrany před bleskem vyžadují odpovídající reflexi na úrovni regulační a technické dokumentace (RTD). Analýza současné RTD ukázala neuspokojivé výsledky, stačí porovnat stávající metody (obr. 1). Je zřejmé, že výsledek výpočtu poloměru zóny

Ochrana Rx jednoho bleskosvodu podle dvou různých norem se může lišit o 10 m. A to je pro jednu úroveň ochrany! Pokud mluvíme o možnostech NTD, pak hlavní současný regulační dokument [4] umožňuje výpočet pouze pro dvojité bleskosvody stejné výšky [1].

RD 34.21.122-87 a pokyny institutu Energosetproekt sice tyto nedostatky nemají, ale neumožňují odhadnout výšku chráněné mezery mezi třemi nebo více bleskosvody. Metoda fiktivní koule (IEC 62305-3) je nejuniverzálnější, protože ochranná zóna se vytváří „rolováním“ systému bleskosvodů koulí o poloměru Rsf odpovídajícímu úrovni ochrany. Norma však neposkytuje jediný výpočetní vzorec a nalezení souřadnic středu koule na základě tří bleskosvodů vyžaduje použití numerických výpočtových metod. Nedostatek speciálních počítačových programů nutí projekční organizace tuto metodu opustit.

Pro automatizaci procesu návrhu jsme vyvinuli vysokorychlostní program Mathcad „Shchit-M“, který provádí cyklické výpočty pro tyčové a lanové hromosvody, uvažované jak samostatně, tak společně v různých kombinacích. Výpočet ochranných pásem se provádí pomocí kterékoli ze šesti metod prezentovaných v programu.

Algoritmus programu je vyvinut v systému MathCAD, který je přizpůsoben pro řešení složitých matematických problémů. Nevýhodou tohoto systému je obtížné zadávání parametrů studovaných objektů pro následné matematické zpracování dle popsaného algoritmu.

Obr. 1. Ochranné pásmo jednoho bleskosvodu H=25 m dle NTD: 1 — RD 34.21.122-87 (úroveň ochrany Pz=0,95); 2 — Pokyny pro výpočet ochranných pásem bleskosvodů a kabelových hromosvodů “Energo-setproekt” 1974 (Pz=0,9); 3 — DIN VDE 0101 Hromosvody s nennswechselpannungen nad 1 kV (Pz=0,9); 4 — Metoda fiktivní koule DIN EN 62305-3 Blitzschutz (Pz=0,91); 5 — СО 153-34.21.122-2003 (Pz=0,9)

Díky exportu dokumentů z grafických editorů, jako jsou AutoCAD, BricsCAD a další, jako souborů DXF (Drawing Exchange Format), bylo možné výrazně zrychlit zadávání souřadnic, celkových rozměrů hromosvodů a chráněných zařízení do matematického editoru MathCAD. Následné čtení takových souborů obsahujících potřebné informace se provádí poměrně jednoduše standardními nástroji systému MathCAD, ve kterých se dále zpracovávají podle popsané metody výpočtu. Výhody společného provozu výše uvedených systémů jsou: 1) automatické zadávání počátečních dat; 2) souřadnice studovaného objektu provedené v grafickém editoru se zcela shodují s počátečními daty v systému MathCAD. Jediný rozdíl je v tom, že jsou zaznamenány ve vektorové formě zásobníku (X, Y, Z); 3) výsledky výpočtu v systému MathCAD se zadávají do příkazového řádku AutoCADu, což umožňuje rychlejší provedení konečného výsledku návrhu.

Nejprve se podívejme na nejrelevantnější a stále populárnější metodu fiktivní koule. Pokud je výška hromosvodu větší než poloměr koule h > Lsf, pak je podle obr. 2 poloměr ochranné zóny roven

Následkem úderu blesku může tank selhat. To může vést k důsledkům různé závažnosti v závislosti na typu látky uložené v nádobě.

Pokud je v nádrži ropný produkt, může úder blesku vést k požáru, výbuchu nebo ekologické katastrofě. Když elektrický proud vstoupí do nádoby s vodní rezervou, projde potrubím a poškodí řídicí a čerpací zařízení. Zásobování pitnou, technickou nebo hasicí vodou se stává nemožným.

Komunikace podzemních nádrží musí být také uzemněna před zavedením vysokých potenciálů – výpustí přenášených do nádrže potrubím. Objevují se v důsledku přímých nebo blízkých úderů blesku. Zavedení vysokého potenciálu může vést k poruchám elektrického zařízení, jiskření a požáru během skladování ropných produktů. Pro dosažení bezpečného provozu podzemních i nadzemních nádrží je proto instalován systém ochrany před bleskem – MZS.

Jak vybrat hromosvod do nádrže

Pro výběr typu hromosvodů je stanovena požadovaná úroveň spolehlivosti ochrany. K tomu slouží klasifikace objektů z pokynu SO 153-34.21.122-2003, podle kterého se konstrukce dělí na běžné a speciální. Mezi běžné patří obytné budovy, farmy, veřejné instituce a průmyslové podniky.

U speciálních objektů, mezi které patří nádrže s ropnými produkty, by měla být úroveň spolehlivosti 0,9 – 0,999. Nádrže připojené k čerpacím stanicím vyžadují stupeň ochrany před bleskem I, II nebo III. Každý stupeň ochrany má maximální přípustné parametry bleskového proudu.

Spolehlivost ochrany je definována jako 1 – P. Pro ochranu nádrže a jejího vybavení musí ochrana hromosvodů dosahovat P3. Vzorce a výpočty jsou uvedeny v SO 153-34.21.122-2003.

Speciální počítačové programy pomáhají provést potřebné výpočty, vybrat umístění, typ a počet hromosvodů.

Jak funguje ochrana před bleskem?

MPS (systém ochrany před bleskem) se dělí na vnější a vnitřní. Externí obsahuje PUM ochranná zařízení proti přímým úderům blesku. Vnitřní – ze sekundárních účinků proudu, jako jsou náhlé přepětí v elektrické síti.

Ochranné zařízení PUM se skládá z:

• hromosvody, které zachycují blesky;
• svody směřující blesk k zemní elektrodě;
• zemnící elektrody – vodivá část, která je v kontaktu se zemí.

Hromosvody se dělí na tyčové, kabelové a pletivo. Používají se také kombinované možnosti. Bleskosvody jsou upevněny na střeše nebo horním prstenci nádrže, pokud patří do III. stupně ochrany proti PUM. Pro úrovně I a II jsou instalovány samostatné hromosvody.

Tyčové hromosvody, nazývané také stožáry, jsou kovové kolíky se špičatými nebo kulovitými hroty. Běžné řešení ochrany nadzemních ocelových nádrží.

Kabel, jak název napovídá, je kabel natažený mezi uzemněné podpěry tyče. Konstrukce se obvykle instaluje na úzké dlouhé střechy nebo po obvodu objektu.

Síťové jsou vyrobeny z ocelového drátu, který je spojen v pravém úhlu a tvoří buňky. Síťové hromosvody jsou instalovány na ploché střeše.

Ochranné pásmo hromosvodů je vypočteno podle SO 153-34.21.122-2003.

Svod, také nazývaný svod, je kovový drát nebo kabel, který je připojen k uzemňovacímu vodiči a hromosvodu. Použití více paralelních spádových vodičů snižuje pravděpodobnost jiskření při toku proudu.

Zemnící elektrody jsou umístěny v půdě vertikálně, horizontálně nebo kombinovaným způsobem. Druhá metoda sestává z vertikálních kolíků zaražených do země, spojených horizontálními elektrodami. Tato metoda pomáhá dosáhnout nízkého odporu uzemňovacího zařízení nabíječky s omezenou plochou přidělenou pro uzemňovací zařízení.

Podle RD 34.21.122-87:

Práce na instalaci ochrany před bleskem začínají instalací uzemňovacího vodiče. Může být vyroben ve formě uzavřené smyčky, která je položena kolem nádoby. Poté se instalují svody a hromosvody.

Pevné upevnění zabraňuje poškození vodičů při provozu, stejně jako při srážkách nebo větru. Vodiče se spojují pájením, svařováním, pomocí upínacího oka nebo šroubováním.

Materiály na ochranu před bleskem pro nádrže

Ocel, měď a hliník jsou hlavními kovy pro výrobu prvků vnějšího systému ochrany před bleskem. Pro zlepšení jejich vlastností se kovy kombinují s dalšími prvky a nanáší se ochranný nátěr.

Ocel díly jsou pozinkovány, v důsledku čehož se materiál stává odolným proti korozi. To ovlivňuje výkon konstrukce, protože rez částečně zhoršuje vodivost. Chcete-li dosáhnout odolnosti proti korozi, můžete do kovové kompozice přidat chrom – prvek pro získání nerezové oceli.

Hliník a slitina hliníku, lehký kov s vysokou vodivostí. Hliník na vzduchu oxiduje, takže se na jeho povrchu vytvoří film, který chrání materiál před další korozí. Negativní stránkou oxidace je zhoršení proudové vodivosti.

Podle Pravidel pro výstavbu elektrických instalací PUE nelze neizolované hliníkové dráty pokládat do země. Proto je nežádoucí používat kov pro zemnící elektrodu.

Měď – drahý materiál ve srovnání s ocelí a hliníkem. Jeho indikátory elektrické vodivosti, tažnosti a tepelné vodivosti mu dávají výhodu oproti jiným kovům, které se používají k ochraně před bleskem.

Pro zlepšení výkonu vodičů se používá pomědění ocelových a hliníkových tyčí a drátů.

Materiálové vlastnosti:

U zařízení na ochranu před bleskem je třeba dodržet kompatibilitu kovů. Dobrým řešením by bylo použití stejného typu materiálů. Kombinace nekompatibilních kovů vede ke korozi a hoření, proto by měď neměla přijít do styku s pozinkovanou ocelí a hliníkem. Pokud je třeba kombinovat např. měď a hliník, používají se speciální svorky, koncovky, krimpovací a šroubové spoje.

Neutrální kombinace tvoří:

• Pozinkovaná ocel + nerezová ocel,
• Al + nerezová ocel,
• Cu + nerezová ocel,
• Pozinkovaná ocel + Al.

Pro pomocné konstrukce se používá černá ocel, slitiny zinku, mosaz, litina, beton a plast.

Ochrana před bleskem FLAMAX

Ochrana před bleskem tanků FLAMAX pomáhá zabránit poškození trupu a vybavení v případě zásahu bleskem.

V závislosti na rozměrech nádrže se instalují 3–4 hromosvody. Jsou umístěny ve stejné vzdálenosti od sebe a tvoří pravidelný trojúhelník nebo čtyřúhelník. Jeho ochranný poloměr závisí na výšce hromosvodu. Zóny tvořené stožáry jsou složeny do jednoho chráněného prostoru.

Bleskosvody jsou instalovány podél okraje horního prstence pomocí kovových spojovacích prvků. Jejich součástí jsou držáky s pryžovými prvky, díky kterým je dosaženo požadované odolnosti. Při úderu blesku proudí výboj svody do zemnícího obvodu.

Další možnosti umístění ochrany před bleskem FLAMAX:

1. Obecná ochrana před bleskem nádrže a budovy, pokud je nádrž umístěna v blízkosti nebo namontována uvnitř.
2. Samostatně stojící hromosvody.
3. Pro maloobjemové nádrže lze použít jeden hromosvod instalovaný ve střední části střechy. V tomto případě musí být tak dlouhá, aby vytvořila dostatečný poloměr ochrany. Metoda se vyznačuje vyššími náklady ve srovnání s instalací několika standardních hromosvodů.

Svody o průměru 8 mm jsou vyrobeny z žárově pozinkované oceli. Jsou připevněny k hromosvodům, položeny podél vnější stěny nádrže a připojeny k uzemnění. Počet svodů odpovídá počtu stožárů.

Připojení svodů k uzemnění není součástí instalace nádrže a zařízení ochrany před bleskem.

Závěr

Nádrže pro skladování, příjem a dodávku vody, ropy a dalších produktů jsou technicky složité stavby. Vyžadují ochranu před povětrnostními vlivy, proto jsou hromosvody vyráběny v souladu se zavedenými normami.

U ocelových nádrží je zajištěna ochrana před bleskem z nerezového nebo pozinkovaného kovu. Tato volba je způsobena kompatibilitou materiálů, nízkou cenou a odolností proti korozi.

K nádržím FLAMAX lze přidat ochranu před bleskem. Umožní vám vyhnout se následkům úderu blesku, včetně nákladů na opravy. Umístění, rozměry a počet hromosvodů jsou určeny pomocí výpočtů ve fázi návrhu. Na provedení a vybavení uvedené v dokumentaci je poskytována záruka 2 až 10 let.