Молниезащита зданий и сооружений
На земном шаре в среднем за сутки происходит около 44 тысяч гроз, сопровождающихся электрическими разрядами, называемыми молнией.
Молнией называется разряд между электрически заряженным облаком и землей или между разноименно заряженными областями двух облаков. Электростатическая электризация грозовых облаков происходит в результате движения мощных воздушных потоков и конденсации в них водяных паров.
Во время грозового разряда в течение очень короткого времени около 100 мкс при токе молнии порядка 100—200 кА в начале молнии развивается температура до 30000°С. Вследствие быстрого расширения нагретого воздуха возникает с большим шумом взрывная волна.
В разных районах нашей страны число грозовых дней и число грозовых часом различно. Так, на южных приморских территориях европейской части СССР среднее годовое число грозовых часов превышает 100, в средней полосе европейской части — от 60 до 80, а в районах Крайнего Севера и в пустынных районах Средней Азии (Каракумы) — менее 10 ч.
Ток молнии производит электромагнитное, тепловое и механическое воздействия на те сооружения, по которым проходит во время удара молнии.
Молниезащитой называется комплекс защитных устройств, предназначенных для обеспечения безопасности людей, сохранности зданий и сооружений, оборудования и материалов от возможных взрывов, загораний и разрушений, возникающих при воздействии молнии.
При прямом ударе молнии в объект через него проходит кратковременный (импульсный) ток молнии. Помимо прямого удара, проявления молнии могут быть в виде электростатической и электромагнитной индукции.
Электростатическая индукция проявляется в том, что на изолированных металлических предметах в результате разряда молнии наводятся опасные электрические потенциалы, в результате чего возможно искренне между отдельными металлическими элементами конструкций и оборудования.
Под действием электромагнитной индукции в незамкнутых металлических контурах в результате изменений тока молнии (изменений магнитного ноля) наводится э. д. с, что приводит к опасности искрения в местах сближения этих контуров.
При грозе во время ударов молнии в различные промышленные, транспортные и другие объекты, находящиеся вдали от производственных зданий и сооружений, возможно проникновение («запое») электрического потенциала в защищаемое здание но внешним металлическим сооружениям и коммуникациям (эстакады, монорельсы, канатные дороги, трубопроводы, кабели с металлическими оболочками и др.).
Для приема электрического разряда молнии и отвода ее токов в землю служат специальные устройства, называемый молниеотводами.
Молниеотвод состоит из несущей части (опоры), молниеприемника, токоотвода и заземлителя. Наиболее распространены стержневые и тросовые молниеотводы. Каждый молниеотвод создает определенную зону защиты — часть пространства, в пределах которого обеспечивается защита зданий и сооружений от прямых ударов молнии.
Производственные, жилые и общественные здания и сооружения в зависимости от их назначения, а также от ожидаемого ежегодного количества поражений их молнией должны иметь молниезащиту в соответствии с одной из трех категорий устройств (см. СН 305-69). Так, взрывоопасные производственные здания и сооружения классов B-I и В-II, находящиеся в любой местности СССР, должны иметь I категорию молниезащиты. Наружные технологические установки, содержащие взрывоопасные газы, пары, горючие и легковоспламеняющиеся жидкости, относимые ПУЭ к классу В- Iг на всей территории СССР, — устройства молниезащиты II категории. Молниезащиту III категории должны иметь здания и сооружения классов П-I, П-II и П-IIа при условиях:
1) объекты расположены в местностях со средней грозовой деятельностью 20 грозовых часов в год и более;
2) ожидаемое количество поражений не менее 0,05 вгод для зданий и сооружений I и II степеней огнестойкости;
3) ожидаемое количество поражений не менее 0,01 в год для зданий и сооружений III, IV и V степеней огнестойкости.
Ожидаемое количество поражений в год зданий и сооружений, не оборудованных молниезащитой, определяется но формуле
N = (S+Зhx) (L + 3hx) п • 10-6,
где S — ширина здания (сооружения), м; L — длина здания (сооружения), м; hx —высота здания по его боковым сторонам, м; п — среднее число поражений молнией 1 км2 земной поверхности в год в месте строительства здания, определяемое но табл. 8-9.
Таблица 8-9
Среднее число поражений молнией 1 кмг земной поверхности
Грозовая деятельность, ч/год | Среднее число поражений молнией |
20—40 40-60 60—80 80—100 Более 100 | 2,5 3,8 5,0 6,3 7,5 |
Здания и сооружения, отнесенные по устройству молниезащиты к I и II категориям, должны быть защищены от прямых ударов молнии, электростатической и электромагнитной индукций и от проникновения высоких относительно земли потенциалов через надземные и подземные металлические коммуникации, а здания и сооружения, отнесенные по устройству молниезащиты к III категории, — от прямых ударов молний и проникновении заноса высоких потенциалов через надземные коммуникации, а в отдельных случаяхиот электростатической индукции.
При прохождении тока молнии через молниеотвод на почве вблизи заземлителей могут возникнуть опасные для людей потенциалы. Поэтому необходимо заземлители молниеотводов размещать в редко посещаемых мостах и удалении на 5м и более от проезжих и пешеходных дорог. Токоотводы следует располагать в отдалении от входов в здания.
Рис. 8-1. Отдельно стоящий стержневой молниеотвод.
При защите от прямых ударов молний отдельных небольших зданий и сооружений, относимых по устройству молниезащиты к II и III категориям, необходимо использовать в качестве молниеотводов вытяжные трубы, водонапорные башни и др.
Молниезащитные устройства в зависимости от категории могут быть выполнены различно.
В качество защиты от прямых ударов молнии зданий и сооружений, относимых по устройству молниезащиты к I категории, следует применять, отдельно стоящие стержневые (рис. 8-1) или тросовые (рис. 8-2) молниеотводы, а при невозможности их сооружения допускается установка изолированных молниеотводов на самом защищаемом сооружении (рис. 8-3).
При установке отдельно стоящих и изолированных стержневых или тросовых молниеотводов необходимо удалять элементы
молниеотвода от защищаемого объекта и подземных металлических сооружений на достаточно безопасные расстояния во избежание перекрытии. Так, согласно СН 305-69 расстояние Sв от токоотвода отдельно стоящего стержневого молниеотвода до защищаемого объекта при высоте l объекта, равной 30 м (рис. 8-1),
должно быть около 4 м.
Во избежание проникновения высоких электрических потенциалов в защищаемые сооружения по подземным металлическим коммуникациям необходимо заземлители защиты от прямых Ударов молнии и подводы к ним располагать на расстоянии S3=0,5Rи, но не менее 3 м, где Rи — значение импульсного сопротивления каждого заземлителя защиты от прямых ударов молнии.
Импульсное сопротивление заземлителя Rи — электрическое переходное сопротивление между электродами заземлителя и землёй при протекании токов молнии, не поддающееся измерению общепринятыми методами. Оно связано с сопротивлением заземлителя R при растекании токов промышленной частоты через импульсный коэффициент
Рис. 8-2. Отдельно стоящий тросовый молниеотвод.
Величина импульсного сопротивления заземлителя должна быть не более 10 Ом.
Импульсное сопротивление Rн может быть определено в зависимости от удельного сопротивления грунта по табл. 8-10. Для зданий и сооружений высотой более 30 м в случаях, когда устройство отдельно стоящего или изолированного молниеотвода не представляется возможным, защиту от прямых ударов молнии допускается осуществлять установкой на здании или сооружении неизолированных стержневых или тросовых молниеотводов либо наложением молниеприемной сетки на неметаллическую кровлю, либо использованием в качестве молниеприемника металлической кровли здания, в этом случае должно быть не менее двух токоотводов, а молниеприемная сетка должна быть изготовлена из стальной проволоки диаметром 6—8 мм с ячейками площадью не более 36 м2 с проваркой узлов.
Рис. 8-3. Стержневой молниеотвод, изолированный от защищаемого объекта деревянной стойкой.
Значения импульсных сопротивлений заземли-телей Rи, Ом | Значения сопротивлений растеканию (Ом) тока промышленной частоты и зависимости от удельного сопротивления грунта (Ом·м) | Значения импульсных сопротивлений заземлителей Rи , Ом | Значения сопротивлений (Ом) тока промышленной частоты и зависимости от удельного сопротивления грунта (Ом·м) | ||||||
до 102 | 5·102 | 105 | более 103 | до 102 | 5·102 | 105 | более 103 | ||
7,5 | |||||||||
Металлические элементы здания или сооружения, расположенные на крыше (трубы, ограждения и др.), должны быть соединены проводником со стальной кровлей или сеткой, а неметаллические части, возвышающиеся над кровлей, — оборудованы дополнительными стержневыми молниеприемниками, присоединенными к
металлу крыши или сетки.
Токоотводы, соединяющие молниеприемную сетку или металл кровли с заземлителями, прокладываются по всем углам здания и не более чем через каждые 25 м по его периметру. В качество токоотводов при таком устройстве рекомендуется использовать все имеющиеся наружные вертикальные стальные конструкции здания или сооружения (колонны, пожарные лестницы и др.) при условии их непрерывной электрической связи. По каждому этажу или не более чем через каждые 9 м по высоте необходимо проложить стальные пояса из полосовой стали (для выравнивания потенциалов), к которым следует присоединить все токоотводы, металлические конструкции и оборудование, установленное внутри здания.
Каждый токоотвод такого устройства присоединяют к отдельному заземлителю с импульсным сопротивлением но более 5 Ом пли к замкнутому контуру, уложенному по периметру здания, величина сопротивления которого но нормируется. При этом рекомендуется не использовать совмещенное заземляющее устройство от прямых ударов молнии, защитного заземления электроустановок и защиты от электростатической индукции. Кроме того, к заземлителю должны быть присоединены также все вводимые в защищаемое здание подземные металлические трубопроводы и оболочки кабелей.
При этом отдельной защиты от электростатической индукции не требуется. Защита от опасности искрения, вызнанного разрядами электростатической индукции в зданиях и сооружениях, защищаемых от прямых ударов молний отдельно стоящими или изолированными стержневыми или тросовыми молниеотводами, выполняется путем присоединения металлических корпусов всего оборудования к специальному заземлителю или к защитному заземлению электрооборудования. В этом случае сопротивление растеканию тока промышленной частоты специального заземлителя должно быть не более 10 Ом.
Для зашиты от опасности искрения, вызванного разрядами от электромагнитной индукции между трубопроводами и другими протяженными металлическими предметами, в местах их взаимно го сближения на расстояние 10 см и меньше через каждые 20 м длины следует приваривать стальные перемычки с тем, чтобы не было незамкнутых электрических контуров.
Для защиты от опасности искрения, вызванного проникновением высоких электрических потенциалов по подземным трубопроводам и оболочкам наболей, перед вводом в здание их присоединяют к заземлителям молниезащиты от электростатической индукции или к защитному заземлению электрооборудования.
Для защиты от опасности искрения, вызванного проникновенном высоких электрических потенциалов по внешним коммуникациям, внешние металлические конструкции и трубопроводы на вводе и на ближайшей к сооружению опоре следует присоединить, к заземлителю с импульсным сопротивлением не более 10 Ом, а также через каждые 250—300 м вдоль трассы эстакады присоединить трубопроводы к заземлителям с импульсным сопротивлением не более 50 Ом.
Ввод в здания электросетей до 1000 В, линий телефона и радио необходимо осуществлять кабелем или кабельной вставкой длиной не менее 50 м. В этом случае металлическую оболочку кабеля надо присоединить у ввода в сооружение к защитному заземлению электрооборудования здания. Вводы воздушных линий электропередачи напряжением выше 1000 В выполняются в соответствии с ПУЭ.
Молниезащита от прямых ударов молнии зданий и сооружений, относимых по устройству молниезащпты к III категории, должна выполняться отдельно стоящими или установленными на зданиях неизолированными стержневыми пли тросовыми молниеотводами или путем наложения молниеприемной сетки на неметаллическую кровлю пли использования в качестве молниеприемника металлической кровли здания и сооружения. Про стержневых или тросовых молниеприёмниках число токоотводов должно быть не менее двух, проложенных на расстоянии не менее 1.5 м или по противоположным стопам здания. Молниеприемная сетка должна иметь ячейки площадью не более 150 м2, а ее токоотводы (также и при использовании в качестве молпиеприемника металлической кровли) должны быть проложены по углам здании или сооружения и не более чем через каждые 25 м по его периметру. В зону защиты молниеотводов должны входить все выступающие части здания. При наличии на здании или сооружении газоотводных или дыхательных труб для свободного отвода в атмосферу газов взрывоопасной концентрации пространство над обрезом труб, ограниченное полусферой радиусом 5 м, должно входить в зону защиты молниеприемника.
В отличие от молниезащиты I категории при устройстве молниезащиты II категории расстояние от отдельно стоящих молниеотводов до защищаемого здании и сооружения и до подземных коммуникаций не нормируется. Величина импульсного сопротивления каждого заземлителя не должна превышать 10 Ом, а в грунтах с большим удельным, сопротивлением (около 5 • 101 Ом ·см и выше) допускается до 30 Ом. Во всех случаях разрешается объединение заземлителей от прямых ударов молнии, защитного заземления электрооборудования и заземлителя от электростатической индукции.
Рис. 8-4. Общий вид небольшого строения оборудованного молниезащитой.
1 – молниеприёмник; 2 – токоотводы; 3 – заземлитель.
При устройстве молниезащиты II категории рекомендуется в качестве токоотводов использовать металлические конструкции здания или сооружения: колонны, фермы, рамы, пожарные лестницы, стальные направляющие рельсы лифтов и т. п. На зданиях с верхним перекрытием из стальных ферм установки молниеприем-ников или наложения молниеприемной сетки не требуется.
При защите от прямых ударов молнии молниеотводами или молниеприемной сеткой, установленными на здании шириной 100 м и более, а также при использовании металлической кровли, кроме наружных заземлителей, необходимо устраивать дополнительные заземлители для выравнивания потенциалов внутри здания. Эти заземлители выполняются в виде полос сечением 100 мм2, уложенных в грунте на глубине не менее 0,5 м не более чем через 60 м по ширине здания. С двух сторон по торцам здания эти заземлители должны быть соединены с наружным контуром заземлителя защиты от прямых ударов молнии, а также подсоединены к токоотводам от молниеприемников с шагом не более 60 м.
Наружные взрывоопасные установки, относящиеся к классу В-Iг и выполняемые из металла, защищаются от прямых ударов молнии молниеотводами, установленными отдельно или па самом сооружении. Если толщина крыши 4 мм и более, а также в случае защиты резервуаров емкостью до 10 м3 независимо от толщины металла достаточно их присоединить к заземлителям.
Наружные взрывоопасные установки класса В-IIг с корпусами из железобетона или синтетических материалов должны быть защищены от прямых ударов молнии либо устройством отдельно стоящих или установленных на них молниеотводов, либо наложением стальной сетки, присоединенной к заземлителю. Заземлители должны иметь импульсное сопротивление не более 50 Ом на каждый токоотвод.
Защита от электростатической индукции осуществляется путем присоединения всего оборудования и аппаратов к защитному заземлению электрооборудования.
Защита от электромагнитной индукции и заноса потенциалов осуществляется аналогично молниезащите I категории.
Для защиты от прямых ударов молнии небольших строений IV и V степеней огнестойкости допускаются упрощенные молниезащитные устройства, например в виде натянутой на деревянных планках стальной проволоки (рис. 8-4), расположенной над коньком крыши на расстоянии не менее 250 м от конька. Для защиты дымовых труб и уменьшении провеса проволоки последняя прикрепляется с помощью «вилки» из такой же проволоки. Концы «вилки» должны выступать над трубой не менее чем на 250 мм.
От молнеприемников по торцевым степам строения прокладываются токоотводы к заземлителям, сопротивление которых должно быть не менее 20 Ом.
Наружные металлические установки или отдельные емкости, содержащие горючие вещества с температурой вспышкивыше 45°С (установки класса П-III), защищают от прямых ударов молнии следующим способом.
Если корпус имеет толщину металлической крыши менее 4 м, устанавливают молниеотводы (отдельно стоящие или на самом сооружении). При толщине металла 4 мм и более достаточно сооружение заземлить. Корпуса емкостей вместимостью менее 10 м3 независимо от толщины металла крыши также достаточно заземлить. Установки из железобетона или синтетических материалов защищаются от прямых ударов молнии отдельно стоящими или установленными на них молниеотводами либо путем наложении на них молниеприемной сетки, присоединяемой к заземлению.
Неметаллические вертикальные вытяжные трубы промышленных предприятий и котельных, водонапорные башни, пожарные вышки высотой 15 м и более защищают молниеотводами, установленными на них. Для металлических труб, башен и вышек установка отдельных молниеприемников и токоотводов не требуется. Величина импульсного сопротивления заземлителей труб, башен и вышек должна быть не более 50 Ом на каждый токоотвод.
Для защиты от проникновения высоких электрических потенциалов внешние металлические коммуникации необходимо на вводе присоединить к заземлителю с импульсным сопротивлением не более 20 Ом (например, к заземлению защиты от прямых ударов молнии). На ближайшей к сооружению опоре металлическую конструкцию следует присоединить к заземлителю с импульсным сопротивлением не более 20 Ом.
Защита от проникновения высоких электрических потенциалов для воздушных линий должна выполняться в соответствии с требованиями ПУЭ.
Каждый молниеотвод в зависимости от его конструкции имеет определенную зону защиты. Так, для одиночного стержневого молниеотвода высотой h≤ 60 м зона защиты представляет собой конус с образующей в виде ломаной линии (рис. 8-5). Основание
Рис. 8-5. Зона защиты одиночного стержневого молниеотвода высотой до 60 м.
а — зона защиты и разрезе; б — сечение по X — X (на высоте hx).
Рис. 8-6. Зона защиты тросового молниеотвода высотой до 60 м.
а — очертания зоны защиты в вертикальном сечении, вдоль троса; б — очертания зоны защиты в вертикальном сечении, перпендикулярном тросу между опорами; в — очертания зоны защиты в горизонтальной плоскости на уровне hx.
конуса имеет радиус r=1,5h. Горизонтальное сечение зоны защиты на высоте защищаемого сооружения hx представляет круг радиусом rх (радиус защиты). Для графического построения образующей конуса зоны защиты необходимо соединить вершину молниеотвода с точками, расположенными на уровне земли, отстоящими от основания молниеотвода на расстоянии r/2 = 0,75h в обе стороны от него. Затем точку на молниеотводе, расположенную на высоте 0,8h, соединить с точками на уровне земли, отстоящими от основания молниеотвода на расстоянии r = 1,5h в обе стороны от него. Радиус зоны защит па высоте hx определяется следующими соотношениями:
rx = 1,5(h – 1,25hx) при 0≤hx ≤ 2/3h;
rx1 = 0,75(h – hx1) при 2/3h≤hx1 ≤ h;
Д л я одиночного тросо в о г о м о лн и е о т в о д а высотой h≤60 м с расстоянием между опорами зона защиты приведена па рис. 8-6. Для расчета зоны защиты принимаются следующие дополнительные обозначения: hоп — высота опоры; h — высота молниеотвода, равная расстоянию от земли до точки максимального провеса троса.
Принимается, что верхняя часть зоны ограничена горизонтальной прямой, проведенной вдоль троса из точки максимального его провеса. Торцевые части зоны защиты определяются как зоны одиночных стержневых молниеотводов. Очертание зоны защиты в вертикальном сечении, перпендикулярном тросу посредине между опорами, определяется по правилу построения зоны защитного одиночного стержневого молниеотвода высотой h0, где h0 — наименьшая высота зоны между опорами. Ширина зоны защиты в средине между опорами на уровне земли составляет 2r0 ,а на высоте hх равна 2r0x, причем r0 следует принимать равным 1,25 h.
Графическое построение зоны защиты в горизонтальной плоскости на уровне hx производится путем нанесения окружностей, изображающих зоны защиты, от каждой опоры молниеотвода на высоте hx и соединением их касательными с точками, находящимися посередине расстояния δ и отстоящими от прямой, соединяющей опоры, на расстоянии rох.
При расчетах зоны защиты в сечении А — А следует пользоваться формулами:
rox = 1,25(h – 1,25hx) при 0≤hx ≤ 2/3h;
rox = 0,625(h – hx) при 2/3h≤hx ≤ h;
Для обеспечения расчетной высоты тросового молниеотвода высота опор hoп должна быть выбрана с учетом стрелы провеса. Для стального троса сечением 35—50 мм2 при пролетах δ ≤120 м принимают стрелу провеса 2 м; для пролета δ = 120 ÷ 150 м принимают 3 м. Высоту опор получают путем сложения расчетной высоты молниеотвода и стрелы провеса.
Дата добавления: 2015-04-05; просмотров: 1866;