Мълниезащитни системи за индустриални съоръжения

• Удар на мълния в индустриален обект може да предизвика каскада от откази – извеждане от строя на системи за управление, нараняване на работници или спиране на производствени линии
  
  
• Непланираните престои могат да доведат до загуби, които многократно надвишават стойността на всяка система за защита
  
  
• Затова може да се каже, че мълниезащитата в индустриални съоръжения е основна част от управлението на оперативните рискове

Индустриалните съоръжения са уникален случай, когато става въпрос за риск от мълнии. Големите застроени площи, високите конструкции, металното оборудване, откритите складови площадки, издигнатите комини, силозите и технологичните кули създават среда, която по своята същност привлича мълнии. За разлика от жилищна сграда, при която пряко попадение може да причини локализирани щети, удар на мълния в индустриален обект може да предизвика каскада от откази – възпламеняване на запалими материали, извеждане от строя на системи за управление, нараняване на работници или спиране на производствени линии за дни или седмици.

Сами по себе си финансовите последици от това са значителни. Освен непосредствените физически щети, непланираните престои в сектори като производство, химическа индустрия, енергетика или хранително-вкусова промишленост могат да доведат до загуби, които многократно надвишават стойността на всяка система за защита. Именно затова мълниезащитата в индустриални съоръжения не е просто въпрос на съответствие със строителните норми – тя е основна част от управлението на оперативните рискове. Разбирането как работи мълниезащитата и защо всеки елемент от една такава система има значение помага на мениджърите на обекти да вземат по-добри решения относно проектирането, поддръжката и инвестициите.

Как функционира мълнията

Мълнията по същество представлява електрически разряд, който търси пътя на най-малкото съпротивление между зареден облак и земята. Когато електрическият потенциал между атмосферата и земната повърхност стане достатъчно голям, от облака се спуска стъпаловиден лидер – невидим канал от йонизиран въздух.

Едновременно с това от високи или заострени обекти на земята се издигат възходящи (стреловидни) лидери. Когато низходящият и възходящият лидер се свържат, се установява каналът на мълнията и следва основният разряд.

Този процес има важно значение за индустриалните съоръжения. Високи конструкции като охладителни кули, антенни мачти или комини е по-вероятно да генерират възходящи лидери и следователно е по-вероятно да бъдат ударени. Но електрическата енергия, освободена при попадение на мълния, не спира просто в точката на удара – тя се разпространява през металните конструкции на обекта, електрическите системи и заземителната инфраструктура, като често причинява повреди далеч от видимата точка на удара.

Свързаните с пренапрежения повреди в електронни устройства, центрове за управление на електродвигатели, измервателна техника и комуникационно оборудване често са по-скъпи от преките физически щети в точката на попадението. Една добре проектирана система за мълниезащита отчита както видимите, така и невидимите аспекти на тази заплаха.

Трите стълба на цялостната мълниезащита

Надеждната система за мълниезащита на едно индустриално съоръжение се основава на три взаимосвързани елемента: прихващане, отвеждане и разсейване. Всеки от тях изпълнява отделна роля, а наличието на слабост в който и да е от тях подкопава ефективността на цялата система.

Прихващането e улавянето на мълнията преди тя да достигне незащитена конструкция или оборудване. На високи точки в целия обект се монтират мълниеприемници, които прихващат ударите и насочват енергията към защитната система. Разположението и височината на мълниеприемниците трябва да бъдат внимателно изчислени въз основа на геометрията на защитаваните конструкции, характера на обектите под тях и локалната плътност на попадения на мълнии в конкретния географски район.

Отвеждането се отнася до пътя, по който уловената енергия се пренася от мълниеприемниците към земята. Токоотводите са високо издръжливи кабели или метални ленти, които безопасно отвеждат тока с огромна величина далеч от чувствително оборудване и конструкции. Трасето на тези проводници е от огромно значение – те трябва да следват най-прекия път към земята, да избягват резки завои, които могат да причинят искрене, и да бъдат отдалечени от тръбопроводи за горива, електрически канали и друга чувствителна инфраструктура.

Разсейването представлява процесът на безопасно разпространяване на тази енергия в земята чрез заземителна система. Специфичното съпротивление на почвата варира значително от обект до обект, като постигането на ниско съпротивление на заземяване в скалисти, песъчливи или сухи почви може да изисква допълнителни мерки, като химично подобряване на заземяването или по-обширни масиви от електроди.

Свързване и изравняване на потенциалите

Сред аспектите на мълниезащитата, които получават най-малко внимание в общите дискусии, свързването (bonding) е може би най-критичният. Когато токът на мълнията навлезе в дадено съоръжение, разликите в електрическия потенциал между близки метални обекти могат да предизвикат опасно искрене. Това искрене не е просто пожарен риск – в съоръжения, работещи със запалими газове, пари или прахове, една-единствена искра може да предизвика експлозия.

Еквипотенциалното свързване представлява практиката всички значими метални елементи в дадено съоръжение – тръбопроводи, конструкционна стомана, резервоари, кабелни скари, рамки на оборудване и дори армировъчна стомана в бетон, да бъдат свързани в единна електрическа мрежа. Гарантирането, че електрическият потенциал на всички тези компоненти се повишава и понижава едновременно при попадение на мълния драстично намалява риска от искрене.

На практика обаче постигането на правилно свързване в рамките на едно голямо индустриално съоръжение представлява сериозно инженерно начинание. В резервоарните стопанства, технологичните инсталации и обширните складове може да има стотици метални елементи, които трябва да бъдат свързани. Компенсатори, фланцови тръбни секции и боядисани повърхности или такива с покритие създават предизвикателства при свързването, които трябва да бъдат отразени методично по време на проектирането и изискват верифициране при монтажа.

Защита от пренапрежения за електронни системи

Съвременните индустриални дейности са силно зависими от електронни системи. Програмируемите логически контролери, честотните регулатори, разпределените системи за управление, измервателните мрежи и комуникационната инфраструктура са уязвими към електрическите пренапрежения, които съпътстват попадението на мълнии, дори когато самият удар е далеч от съоръжението.

Не е необходимо мълнията да удари директно сградата, за да повреди електронните устройства. Попадение в намиращ се в близост въздушен електропровод, повишаване на земния потенциал в подстанция или дори удар в земята на няколкостотин метра разстояние могат да доведат до разпространението на разрушителни преходни процеси по захранващи кабели, сигнални линии и комуникационни кабели към чувствително оборудване.

Устройства за защита от пренапрежение се монтират в точките, където кабелите влизат в сграда или оборудване, като те ограничават преходните напрежения, преди те да проникнат по-дълбоко в системата. Ефективната защита от пренапрежения изисква координиран подход – устройствата на главния вход, в разпределителните табла и в точката на потребление трябва да бъдат подбрани и инсталирани като координирана система, а не като изолирани допълнения. Например една защита от пренапрежение, монтирана в табло за управление, няма да е достатъчно ефективна, ако кабелът към таблото не е защитен и в точката на влизането му в сградата.

Координацията между заземителната система и стратегията за защита от пренапрежения също е от съществено значение. Устройствата за защита от пренапрежение отвеждат енергията към земята, поради което качеството и съпротивлението на заземителната система пряко влияят върху ефективността им.

Зониране при сложни обекти

Големите индустриални съоръжения рядко имат еднороден рисков профил. Една зона за съхранение на химикали например поставя много различни рискове в сравнение с една административна сграда, цех или пречиствателна станция в рамките на същия обект. Проектирането на мълниезащитната система по зони позволява на инженерите да зададат различни нива на защита за различни части на обекта въз основа на последствията от удар на мълния и вероятността от настъпване на такъв.

Методът започва с оценка на риска, която разглежда физическите характеристики на обекта, локалната плътност на попадения на мълнии към земята, характера на дейностите във всяка зона и потенциала за нараняване на работници или икономически загуби. Тази оценка определя решенията относно гъстотата на мълниеприемниците, качеството на необходимото заземяване, спецификацията на защитата от пренапрежение и степента на необходимото еквипотенциално свързване във всяка зона.

За съоръжения, в които се работи с експлозивни или запалими материали, зоните, класифицирани като опасни, изискват особено внимание. Появата на източници на възпламеняване, свързани с мълнии – дъги, искри и нагряващи ефекти от провеждания ток – трябва да бъде предотвратена в тези области не само чрез стандартни мерки за мълниезащита, но и чрез гарантиране, че цялото оборудване, корпуси и еквипотенциални свързвания отговарят на допълнителните изисквания, приложими към съответната класификация на опасната зона.