Противопаводковая защита территорий: инженерные сооружения и водоотвод

Молниезащита и заземление инженерных сетей — критически важный комплекс мероприятий, обеспечивающий защиту оборудования, трубопроводов, резервуаров и персонала от прямых ударов молнии и вторичных проявлений (электростатической и электромагнитной индукции, заноса высоких потенциалов). Основными нормативными документами в Российской Федерации являются СО 153-34.21.122-2003 «Инструкция по устройству молниезащиты зданий, сооружений и промышленных коммуникаций» и РД 34.21.122-87 «Инструкция по устройству молниезащиты зданий и сооружений». Несмотря на то что РД 34.21.122-87 формально не отменён, приоритет имеет СО 153-34.21.122-2003. Дополнительно применяются ПУЭ (7-е издание, главы 1.7 и 2.4), ГОСТ Р 50571.5.54-2013 по заземляющим устройствам и ГОСТ Р МЭК 62305-1-2010 по менеджменту риска молниезащиты.

Категории молниезащиты по СО 153-34.21.122-2003

СО 153-34.21.122-2003 устанавливает три уровня молниезащиты (I, II, III) в зависимости от класса объекта и ожидаемой плотности ударов молнии. Уровень I применяется для объектов с высокой степенью риска (взрывопожароопасные производства, склады взрывчатых веществ), уровень II — для объектов средней степени риска (нефтебазы, газораспределительные станции, насосные станции ЛВЖ), уровень III — для объектов обычной степени риска (жилые и общественные здания, водопроводные и канализационные насосные станции). Для каждого уровня нормируются: радиус защиты молниеприёмника (метод катящейся сферы), шаг ячейки молниеприёмной сетки, расстояние между токоотводами, тип и сопротивление заземляющего устройства.

Для насосных станций водоснабжения и водоотведения, как правило, принимается III уровень молниезащиты. Однако при наличии хлораторных, складов реагентов или резервуаров с ЛВЖ уровень повышается до II. Выбор уровня молниезащиты выполняется на основании оценки риска по ГОСТ Р МЭК 62305-2-2010. Заземлению также подлежат все металлические конструкции смотровых колодцев на сети.

Заземление металлических трубопроводов и резервуаров

Согласно ПУЭ (п. 1.7.82), все металлические трубопроводы и резервуары, входящие в здание или сооружение, должны быть присоединены к системе уравнивания потенциалов. Заземление трубопроводов выполняется не реже чем через каждые 50 м для надземных и 100 м для подземных участков. Сопротивление заземляющего устройства для трубопроводов должно быть не более 10 Ом. Для резервуаров питьевой воды заземление выполняется с двух противоположных сторон, сопротивление — не более 10 Ом. Для резервуаров с ЛВЖ и ГЖ заземление выполняется не менее чем в двух точках с сопротивлением не более 4 Ом, а также предусматривается защита от статического электричества.

Конструкция заземлителя для трубопроводов: применяются вертикальные электроды из круглой стали диаметром 16–18 мм или уголка 50×50×5 мм длиной 2,5–5 м, соединённые горизонтальной полосой 40×4 мм. Глубина заложения горизонтального заземлителя — не менее 0,5 м от поверхности земли. Соединения выполняются сваркой с длиной шва не менее двойной ширины полосы (80 мм для полосы 40×4). Все сварные швы защищаются битумной мастикой от коррозии.

Система уравнивания потенциалов

Система уравнивания потенциалов (СУП) предназначена для выравнивания электрических потенциалов между всеми металлическими частями здания и инженерных систем с целью предотвращения возникновения опасных напряжений прикосновения и шагового напряжения. Основная система уравнивания потенциалов (ОСУП) объединяет: главную заземляющую шину (ГЗШ), заземляющее устройство, металлические трубы коммуникаций (водопровод, канализация, отопление, газоснабжение), металлические части каркаса здания, металлические оболочки кабелей, систему молниезащиты. Дополнительная система уравнивания потенциалов (ДСУП) выполняется в помещениях с повышенной опасностью (насосные залы, хлораторные, помещения КИПиА) и соединяет все открытые проводящие части с нулевым защитным проводником.

Сечение проводников СУП нормируется ПУЭ (табл. 1.7.4): для медных проводников — не менее 6 мм² (механическая защита) или 16 мм² (без защиты), для алюминиевых — 16 мм² и 25 мм² соответственно, для стальных — 50 мм². Сопротивление между любой точкой СУП и ГЗШ не должно превышать 0,1 Ом.

Защита КИПиА от импульсных перенапряжений (УЗИП)

Контрольно-измерительные приборы и автоматика (КИПиА) насосных станций, очистных сооружений и резервуарных парков особенно чувствительны к импульсным перенапряжениям, возникающим при ударах молнии и коммутационных процессах. Для защиты применяются устройства защиты от импульсных перенапряжений (УЗИП) трёх классов по ГОСТ Р 51992-2011 (МЭК 61643-1):

• Класс I (B) — устанавливается на вводе в здание (ВРУ), рассчитан на ток молнии 10/350 мкс, номинальный разрядный ток I_imp = 12,5–25 кА на полюс. Ограничивает перенапряжение до уровня 4 кВ.
• Класс II (C) — устанавливается в распределительных щитах, рассчитан на импульс 8/20 мкс, номинальный разрядный ток I_n = 20–40 кА. Ограничивает перенапряжение до уровня 2,5 кВ.
• Класс III (D) — устанавливается непосредственно у защищаемого оборудования (розетки, клеммники КИПиА), рассчитан на импульс 8/20 мкс, I_n = 3–10 кА. Ограничивает перенапряжение до уровня 1,5 кВ.

Для защиты цепей КИПиА (4–20 мА, RS-485, Ethernet) применяются специализированные УЗИП с малым уровнем ограничения (до 30–60 В) и минимальной вносимой ёмкостью (менее 50 пФ). Каскадное включение УЗИП классов I–II–III обеспечивает трёхступенчатую защиту с координацией по энергии. Расстояние между ступенями должно быть не менее 10 м по кабелю для обеспечения селективности срабатывания.

Пример расчёта контура заземления насосной станции

Исходные данные: насосная станция водоснабжения, III уровень молниезащиты, грунт — суглинок с удельным сопротивлением ρ = 100 Ом·м, требуемое сопротивление заземляющего устройства R_тр ≤ 10 Ом. Принимаем вертикальные электроды из круглой стали диаметром 18 мм, длиной L = 3 м. Расстояние между электродами a = 3 м (a/L = 1). Глубина заложения горизонтальной полосы t = 0,7 м.

Сопротивление одного вертикального электрода: R_в = (ρ / (2πL)) × (ln(2L/d) + 0,5 × ln((4t + L)/(4t − L))), где d = 0,018 м, t = 0,7 + 3/2 = 2,2 м (глубина до середины электрода). R_в = (100 / (2 × 3,14 × 3)) × (ln(2 × 3 / 0,018) + 0,5 × ln((4 × 2,2 + 3)/(4 × 2,2 − 3))) = 5,31 × (ln(333,3) + 0,5 × ln(11,8/5,8)) = 5,31 × (5,81 + 0,5 × 0,71) = 5,31 × 6,17 = 32,7 Ом.

Сопротивление горизонтальной полосы 40×4 мм длиной L_г = n × a = n × 3 м: R_г = (ρ / (2πL_г)) × ln(2L_г² / (b × t)), где b = 0,04 м. Для предварительного расчёта принимаем n = 6 электродов, L_г = 18 м. R_г = (100 / (2 × 3,14 × 18)) × ln(2 × 18² / (0,04 × 0,7)) = 0,884 × ln(648 / 0,028) = 0,884 × ln(23143) = 0,884 × 10,05 = 8,88 Ом.

Общее сопротивление заземляющего устройства с учётом коэффициентов использования (η_в = 0,72 для 6 электродов при a/L = 1, η_г = 0,65): R_общ = (R_в × R_г) / (R_в × η_г + R_г × η_в × n) = (32,7 × 8,88) / (32,7 × 0,65 + 8,88 × 0,72 × 6) = 290,4 / (21,26 + 38,36) = 290,4 / 59,62 = 4,87 Ом. Полученное значение 4,87 Ом < 10 Ом — условие выполняется. Принимаем контур из 6 вертикальных электродов длиной 3 м, соединённых полосой 40×4 мм.

Типовые ошибки при проектировании молниезащиты и заземления

1. Занижение удельного сопротивления грунта. Использование табличных значений без проведения геофизических изысканий приводит к ошибкам в расчёте заземлителя. Фактическое сопротивление грунта может отличаться в 2–3 раза от табличного, особенно в засушливый период.
2. Отсутствие защиты от вторичных проявлений молнии. Установка только молниеприёмников без УЗИП и системы уравнивания потенциалов не защищает оборудование КИПиА от наведённых перенапряжений.
3. Нарушение расстояния между ступенями УЗИП. При расстоянии менее 10 м между УЗИП классов I и II не обеспечивается селективность срабатывания, и УЗИП класса II может выйти из строя при прямом ударе молнии.
4. Применение алюминиевых проводников в грунте. Алюминий подвержен электрохимической коррозии в грунте, особенно в контакте с медью и сталью. Для заземлителей применяется только сталь или медь.
5. Отсутствие антикоррозионной защиты сварных швов. Незащищённые сварные соединения в грунте корродируют в 3–5 раз быстрее основного металла, что приводит к увеличению сопротивления заземлителя.
6. Игнорирование сезонных колебаний сопротивления грунта. Зимой при промерзании грунта сопротивление заземлителя может увеличиваться в 3–10 раз. Необходимо предусматривать глубинные заземлители или обработку грунта.

1. СО 153-34.21.122-2003 «Инструкция по устройству молниезащиты зданий, сооружений и промышленных коммуникаций»
2. РД 34.21.122-87 «Инструкция по устройству молниезащиты зданий и сооружений»
3. Правила устройства электроустановок (ПУЭ), 7-е издание, главы 1.7, 2.4
4. ГОСТ Р 50571.5.54-2013 «Электроустановки низковольтные. Часть 5-54. Заземляющие устройства и защитные проводники»
5. ГОСТ Р МЭК 62305-1-2010 «Менеджмент риска. Защита от молнии. Часть 1. Общие принципы»
6. ГОСТ Р МЭК 62305-2-2010 «Менеджмент риска. Защита от молнии. Часть 2. Оценка риска»
7. ГОСТ Р 51992-2011 (МЭК 61643-1) «Устройства защиты от импульсных перенапряжений низковольтные. Часть 1»
8. СП 76.13330.2016 «Электротехнические устройства. Актуализированная редакция СНиП 3.05.06-85»
9. ГОСТ 9.602-2016 «Единая система защиты от коррозии и старения. Сооружения подземные. Общие требования к защите от коррозии»
10. СП 31.13330.2012 «Водоснабжение. Наружные сети и сооружения. Актуализированная редакция СНиП 2.04.02-84»