Молниезащита умных зданий

Скорость 100 миллионов км/ч, напряжение 1 миллиард вольт, ток 200 тысяч ампер, температура 28 000 °C и световые волны, которые ежедневно до 8 миллионов раз достигают поверхности Земли. Указанные выше характеристики относятся к молнии — самому часто происходящему, но при этом наименее понятному природному явлению на Земле. В результате того, что столь мощная энергия достигает земли за доли микросекунды, ежегодно во всем мире повреждается около 100 миллионов электронных устройств, что приводит к ущербу в миллиарды евро. Поэтому это природное явление однозначно требует принятия мер защиты. Если рассматривать молнию по кривой 10/350, то это импульс, который достигает максимального значения за 10 микросекунд и затухает за 350 микросекунд. Коммутационные элементы, гармоники, повышения и понижения напряжения, которые в повседневной жизни и в электронных системах воздействуют на нас в пять раз чаще, чем молния, имеют характеристику импульса 8/20, то есть достигают максимума за 8 микросекунд и затухают за 20 микросекунд. Эти два типа импульсов являются абсолютными угрозами, которые необходимо учитывать на этапах проектирования и разработки наших систем. Поскольку статистика показывает, что вероятность повреждения систем из-за кратковременных импульсов напряжения значительно выше по сравнению со всеми другими видами стихийных бедствий.

Ежегодно 240 000 человек получают травмы в результате ударов молнии.

Параллельно с развитием современных технологий умные здания (Smart Buildings) становятся все более распространенными. В таких объектах, обеспечивающих высокий уровень комфорта за счет систем автоматизации, используются электронные системы с крайне чувствительными схемами. В целом многие умные здания одновременно являются и высотными сооружениями; с другой стороны, большинство небоскребов — это настоящие шедевры автоматизации. Практически в каждом здании применяется система внешней молниезащиты (молниеотвод — клетка Фарадея). Однако вероятность притяжения молнии такими системами у высотных зданий значительно выше по сравнению с окружающими низкими постройками. Если учитывать риск повреждения электронных устройств из-за эффектов электромагнитной связи в радиусе до 2 км от точки удара, можно утверждать, что все системы домашней автоматизации находятся под постоянной угрозой независимо от высоты здания, при этом для высотных сооружений этот риск объективно выше.

Защита здания с помощью системы внешней молниезащиты

В целом системы, которые необходимо установить для защиты сооружений от молнии и других импульсов, можно перечислить следующим образом;

1- Системы внешней молниезащиты: обеспечивают защиту жизни людей и предотвращают пожары.

2- Системы внутренней молниезащиты: защищают электронные системы и оборудование от импульсов и предотвращают возгорания в распределительных щитах.

3- Заземление: является наиболее важным элементом всей системы.

4- Система уравнивания потенциалов: должна быть обеспечена во всех точках для надежной защиты.

Если мы хотим защитить наши системы от молнии и других импульсов, наличие этих четырех систем является обязательным. К сожалению, во многих зданиях в нашей стране в качестве достаточной меры защиты рассматривается только внешняя молниезащита, в особенности система молниеотводов. Между тем около 50 % молниевого разряда силой 200 кА, притянутого молниеотводом, гасится в грунте, а оставшийся импульс за микросекунды передается в электрические системы в радиусе до 2 км из-за разности потенциалов. Эти кратковременные импульсы не распознаются предохранителями и реле и вызывают необратимые повреждения оборудования. Поэтому системы ВНУТРЕННЕЙ МОЛНИЕЗАЩИТЫ – УСТРОЙСТВА ЗАЩИТЫ ОТ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЯ обязательно должны присутствовать в электрических установках. Помимо разрядов молнии около 65 % импульсов имеют внутреннее происхождение. Эти кратковременные импульсы возникают по множеству причин, в первую очередь из-за коммутационных процессов, и требуют обязательной защиты. Для защиты от молниевых и сетевых импульсов применяются различные устройства, которые работают во взаимной интеграции.

В основе система внутренней молниезащиты должна проектироваться с использованием ступенчатой защиты: Class B (главный распределительный щит — кривая 10/350), Class C (вторичный щит — кривая 8/20) и Class D (кривая 8/20). Эти изделия представлены примерно в 1500 различных вариантах. При выборе оборудования крайне важна помощь квалифицированных инженеров, так как неправильный выбор не обеспечит защиту системы.

Если рассмотреть причины возникновения импульсов перенапряжения, то к ним относятся: удары молнии, коммутационные импульсы, кратковременные колебания напряжения, гармоники и провалы напряжения. Отличительной особенностью этих импульсов является их очень короткая длительность. Именно поэтому для защиты систем необходимы системы внутренней молниезащиты. Тот факт, что предохранители и реле реагируют только на длительные воздействия, является одним из ключевых аргументов в пользу обязательного наличия устройств внутренней молниезащиты в каждом щите, аналогично предохранителям.

В случае прямого удара молнии в систему внешней молниезащиты или в низковольтную воздушную линию высокая энергия молниевого напряжения, как правило, приводит к выходу из строя подключенных нагрузок и повреждению изоляции. Индуцированные повышения напряжения в электрических установках зданий, а также в силовых и информационных линиях, могут в несколько раз превышать номинальное рабочее напряжение.

Перенапряжения, возникающие в результате коммутационных процессов, не вызывают такого резкого роста напряжения, как молниевые разряды, однако происходят очень часто и могут приводить к неисправностям оборудования. В то время как коммутационные перенапряжения могут повышать рабочее напряжение в два-три раза, молниевое напряжение может достигать двадцатикратного значения от номинального и переносить огромную энергию. Отказы оборудования часто проявляются позже, поскольку повреждения, вызванные меньшими переходными перенапряжениями, со временем приводят к старению электронных компонентов.

Переходные колебания напряжения — это кратковременные напряжения, возникающие в микросекундном диапазоне, которые при этом могут достигать очень высоких амплитуд по сравнению с номинальным напряжением!

Наша рекомендация: незамедлительно проверьте, установлены ли в здании, в котором вы находитесь или за которое отвечаете, устройства защиты от перенапряжения, и приступите к установке соответствующей системы.

Блоки управления, системы освещения, розеточные системы, датчики, устройства дистанционного управления, камеры, системы управления жалюзи, термостаты, системы управления Z-Wave являются основными компонентами умных зданий. Из-за своей чувствительной структуры они могут быть повреждены в любой момент и, что особенно важно, из-за внезапной искры способны привести к серьезным пожарам. Поэтому использование систем внутренней молниезащиты вместе с этими системами должно рассматриваться не как рекомендация, а как обязательное требование. Однако многие компании исключают эти системы из своих предложений, считая их фактором увеличения стоимости и опасаясь конкурентных недостатков. Поэтому внедрение и применение таких решений в рамках стандартов является нашей обязанностью как инженеров.