Федеральное агентство по образованию
Государственное образовательное учреждение высшего
«УФИМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НЕФТЯНОЙ
ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»
Кафедра прикладной химии и физики
Молниезащита зданий и сооружений
Учебно-методическое пособие
Рассматривается методика и техника расчета молниезащиты гражданских и промышленных объектов.
Пособие предназначено для проведения практического занятия либо самостоятельного выполнения расчетно-графической работы (РГР) по дисциплине «Безопасность жизнедеятельности» студентами всех форм обучения. Может быть использовано в дипломном проектировании при решении аналогичных задач.
Составитель, доц., канд. техн. наук
Рецензент, доц., канд. техн. наук
© Уфимский государственный нефтяной технический университет, 2010
Согласно действующим нормативным документам выбор конструкции и расчет параметров молниезащиты должен производиться на основе данных о защищаемом объекте (назначения, наличия взрыво - и пожароопасных зон, огнестойкости и др.) и ожидаемом количестве поражений молнией в год. Последнее определяется исходя из сведений об интенсивности грозовой деятельности и геометрических размеров защищаемого объекта.
1 Характеристика интенсивности грозовой деятельности и молниепоражаемости объекта
Интенсивность грозовой деятельности характеризуется средним числом грозовых часов (Пч) в году, определяемым по карте (рисунок 1).
Расчет ожидаемого количества N поражений молнией в год незащищенного объекта производится по формулам:
Для сосредоточенных зданий и сооружений (дымовые трубы, вышки, башни)
N = 9πh2n · 10-6;
Для зданий и сооружений прямоугольной формы
N = [(S+6h)(L+6h) – 7,7h2]n · 10-6,
где h – наибольшая высота здания или сооружения, м;
S, L – соответственно, ширина и длина здания или сооружения;
n – среднегодовое число ударов молнии в 1 км2 земной поверхности, определяемое по таблице 1.
Если здание имеет сложную конфигурацию, то при расчете за S и L принимают ширину и длину прямоугольника, в который вписывается план здания.
Таблица 1 – Зависимость среднегодового числа ударов молнии в 1 км2 земной поверхности от интенсивности грозовой деятельности
Интенсивность грозовой деятельности Пч, ч
Среднее число ударов молнии в год на 1 км2, n
Рисунок 1 – Карта среднегодовой продолжительности гроз в часах
2 Классификация зданий и сооружений
по устройству молниезащиты
Инструкция по проектированию и устройству молниезащиты , исходя из вероятности поражения защищаемого объекта молнией, масштаба возможных разрушений и ущерба, устанавливает три категории зданий и сооружений (I, II, III) и два типа (А и Б) зон защиты объектов от прямых ударов молнии. Зона защиты типа А обеспечивает перехват на пути к защищаемому объекту не менее 99,5% молний, а типа Б – не менее 95%.
К I категории относят здания и сооружения (или их части), в которых имеются взрывоопасные зоны классов В-I и В-II согласно Правилам устройства электроустановок (ПУЭ). В них хранятся или содержатся постоянно либо появляются во время производственного процесса смеси газов, паров или пыли горючих веществ с воздухом или иными окислителями, способные взорваться от электрической искры.
Ко II категории относят здания и сооружения (или их части), в которых имеются взрывоопасные зоны классов В-Iа, В-Iб, В-IIа согласно ПУЭ. В таких сооружениях опасные смеси появляются лишь при аварии или неисправностях в технологическом процессе. К этой же категории принадлежат наружные технологические установки и открытые склады, содержащие взрывоопасные газы и пары, горючие и легковоспламеняющиеся жидкости (газгольдеры, цистерны и резервуары, сливо-наливные эстакады и т. п.), относимые по ПУЭ к взрывоопасным зонам класса В-Iг.
1) здания и сооружения с пожароопасными зонами классов П-I, П-II, П-IIа согласно ПУЭ;
2) открытые склады твердых горючих веществ и наружные технологические установки, в которых применяют или хранят горючие жидкости с температурой вспышки паров выше 61ºС, относимые по ПУЭ к классу П-III;
3) здания и сооружения III, IV и V степени огнестойкости, в которых отсутствуют производства с зонами, относимыми по ПУЭ к классам пожаро - и взрывоопасным;
4) жилые и общественные здания , возвышающиеся на 25 м и более над средней высотой окружающих зданий в радиусе 400 м, а также отдельно стоящие здания высотой более 30 м, удаленные от других зданий на 400 м и более;
5) общественные здания III, IV и V степени огнестойкости следующего назначения: детские сады и ясли, школы и школы-интернаты, спальные корпуса и столовые санаториев, домов отдыха, лечебные корпуса больниц, клубы, кинотеатры;
6) здания и сооружения, являющиеся памятниками истории и куль - туры;
7) дымовые трубы предприятий и котельных, водонапорные и силосные башни, вышки различного назначения высотой более 15 м.
3 Выбор типа защиты
Различают два рода воздействия молнии: первичное, связанное с прямым ударом, и вторичное, вызванное электромагнитной и электростатической индукцией и заносом высоких потенциалов через металлические коммуникации в сооружения при разряде облака. В результате этих явлений могут возникать пожары, взрывы, разрушения конструкций, поражения людей, перенапряжение на проводах электрической сети.
Для защиты от прямых ударов молнии сооружаются молниеотводы, принимающие на себя ток молнии и отводящие его в землю. Зона защиты молниеотвода – это часть пространства, примыкающая к молниеотводу, внутри которого здание или сооружение защищено от прямых ударов молнии с определенной степенью надежности. Защитное действие молниеотвода основано на свойстве молнии поражать наиболее высокие и хорошо заземленные металлические сооружения. При этом, по мере углубления внутрь этого пространства степень надежности защиты возрастает.
Защита от электростатической индукции заключается в отводе индуцируемых статических зарядов в землю путем присоединения металлического оборудования, расположенного внутри и вне зданий, к специальному заземлителю или к защитному заземлению электроустановок; сопротивление заземлителя растеканию тока промышленной частоты должно быть не более 10 Ом.
Для защиты от электромагнитной индукции между трубопроводами и другими протяженными металлокоммуникациями в местах их сближения на расстояние 10 см и менее через каждые 20 м устанавливают (приваривают) металлические перемычки, по которым наведенные токи перетекают из одного контура в другой без образования электрических разрядов между ними.
Защита от заноса высоких потенциалов внутрь зданий обеспечивается отводом потенциалов в землю вне зданий путем присоединения металлокоммуникаций на входе в здания к заземлителям защиты от электростатической индукции или к защитным заземлениям электроустановок.
Здания и сооружения I категории должны быть обязательно защищены от прямых ударов молнии, от электрической и электромагнитной индукции, от заноса высокого потенциала через подземные и наземные коммуникации. Молниеотводы предусматриваются с зонами защиты типа А.
Здания и сооружения II категории должны быть защищены от прямых ударов молнии; вторичных ее воздействий и заноса высоких потенциалов по коммуникациям только в местностях со средней интенсивностью грозовой деятельности nч ≥10. Тип зоны защиты молниеотводов зависит от показателя N: тип А берется при N>1, тип Б – при N≤1.
Здания и сооружения III категории подлежат молниезащите в местностях с грозовой деятельностью 20 ч и более в год, зона защиты молниеотводов – типа Б, за исключением объектов, указанных в п. 1 и 3. В них выбор типа зоны зависит от ожидаемого числа поражений молнией: при 0,1
Все здания и сооружения III категории защищают от прямых ударов молнии и заноса высоких потенциалов через наземные металлические коммуникации. Наружные установки защищают только от прямых ударов молнии.
4 Конструкции молниеотводов
Молниеотвод состоит из молниеприемника, непосредственно воспринимающего удар молнии, токоотвода (спуска), соединяющего молниеприемник с заземлителем, заземлителя, через который ток молнии стекает в землю. Вертикальную конструкцию (столб или мачту) или часть сооружения, предназначенную для закрепления молниеприемника и токоотвода, называют опорой молниеотвода.
По типу молниеприемников молниеотводы делят на стержневые, тросовые и сеточные, укладываемые на защищаемое здание; по числу и общей зоне защиты – на одиночные, двойные и многократные. Кроме того, различают молниеотводы отдельно стоящие, изолированные и не изолированные от защищаемого здания.
Стержневые молниеотводы представляют собой вертикальные стержни или мачты, тросовые – горизонтальные стальные канаты и провода, закрепленные на двух и более опорах, по каждой из которых прокладывают токоотвод к отдельному заземлителю. У сеточных молниеотводов молниеприемником служит металлическая сетка, присоединяемая токоотводом к заземлителю. Чаще используют стержневые молниеотводы.
Для повышения безопасности людей и животных заземлители размещают в редко посещаемых местах (на газонах, в кустарниках) в удалении на 5 м и более от основных грунтовых проезжих и пешеходных дорог, располагают их под асфальтовыми покрытиями или устанавливают предупреждающие плакаты. Токоотводы размещают в недоступных местах.
5 Расчет и проектирование молниеотводов
При устройстве молниезащиты соблюдают следующие условия: соответствие типа молниезащиты характеру производственного процесса в здании или сооружении, возможность типизации конструктивных элементов молниезащиты, надежность действия всех элементов молниезащиты и их «равнопрочность», большой срок службы (10 лет и более), возможность применения недорогостоящих материалов и использование конструктивных элементов здания и сооружения, наглядность монтажа, предупредительные и воспрещающие знаки или ограждения, доступ ко всем элементам при контроле, восстановлении или ремонте.
Кроме того, при устройстве молниезащиты зданий и сооружений любой категории учитывают возможность экранирования их зонами защиты молниеотводов других близко расположенных зданий и сооружений. При этом максимально используют естественные молниеотводы (вытяжные трубы, водонапорные башни, дымовые трубы, линии электропередачи и другие возвышающиеся сооружения).
Ниже приведены методики расчета молниеотводов разных конструкций высотой до 150 м.
Одиночный стержневой молниеотвод
.
Зона его защиты представляет собой конус (рисунок 2), вершина которого находится на высоте h0 Для зоны типа А h0 = 0,85h; R0 = (1,1 - 0,002h)h; Rx = (1,1 - 0,002h)(h - hx/0,85); Для зоны типа Б h0 = 0,92h; R0 = 1,5h; Rx = 1,5(h - hx/0,92), где Rx и hx определяют по закону подобия треугольников. Для зоны типа Б высоту молниеотвода при известных величинах hx и Rx устанавливают по формуле: h = (Rx + 1,63hx)/1,5. Рисунок 2 – Зона защиты одиночного стержневого молниеотвода 1 – граница зоны защиты на уровне hx; 2 – то же на уровне земли Двойной стержневой молниеотвод
(рисунок 3). Торцевые части зоны защиты определяют как зоны одиночных стержневых молниеотводов. Значение h0, R0, Rx1 и Rx2 расчитывают по выше приведенным формулам для обоих типов зон защиты. Внутренние области зон защиты имеют следующие габаритные размеры: Зона типа А: при L ≤ h hc = h0; Rc = R0; Rcx = Rx; при h < L ≤ 2h hc = h0-(0,17 + 3×10-4h)(L - h); при 2h < L ≤ 4h ; Зона типа Б: при L ≤ h hc = h0; Rcx = Rx; Rc = R0; при h < L ≤ 6h, hc = h0 - 0,14(L - h); Rc = R0; Rcx = R0(hc - hx)/ hc; При больших расстояниях молниеотводы следует рассматривать как одиночные. При известных hc, L и Rcx = 0 высоту молниеотвода для зоны типа Б определяют по формуле: h = (hc + 0,14L)/1,06. Рисунок 3 – Зона защиты двойного стержневого молниеотвода 1
– граница зоны защиты на уровне hx
1
; 2
– то же на уровне hx
2
, 3
– то же на уровне земли Двойной стержневой молниеотвод разной высоты
(рисунок 4). Торцевые части также представляют собой зоны защиты одиночных стержневых молниеотводов соответствующей высоты, а h01, h02, R01, R02, Rx1, Rx2 определяют как для одиночного молниеотвода обоих типов зон. Rcx = R0(hc - hx)/hc; Rc= (R01 + R02)/2; hc = (hc1 + hc2)/2, где hc1 и hc2 для обоих типов зон защиты вычисляют по формулам для двойного стержневого молниеотвода. Рисунок 4 – Зона защиты одиночного стержневого молниеотвода Для разновысокого двойного стерженового молниеотвода зона защиты типа А существует при L ≤ 4hmin, типа Б – при L ≤ 6hmin. Одиночный тросовый молниеотвод
. Зона его защиты приведена на рисунке 5, где h – расстояние по высоте до троса в точке наибольшего провеса. С учетом стрелы провеса при известной высоте опор hоп и длине пролета а < 120 м высота до троса h = hоп - 2 м, а при а=120...150 h = hоп - 3 м. Зоны защиты одиночных тросовых молниеотводов имеют следующие размеры. Для зоны типа А: h0 = 0,85h; R0 = (1,35 - 0,0025h)h; Rx = (1,35 - 0,0025h)(h - hx/0,85). Для типа Б: h0 = 0,92h; R0 = 1,7h ; Rх = 1,7(h - hx/0,92). Для зоны типа Б высота одиночного тросового молниеотвода при известных hx и Rx равна h = (Rx + 1,85hx)/1,7. Рисунок 5 – Зона защиты одиночного тросового молниеотвода 1 – граница зоны защиты на уровне земли; 2 – граница зоны защиты на уровне hx 6
Пример расчета
Здание расположено в Республике Башкортостан , имеет размеры: L = 27 м; S = 18 м; h = 6 м. Расчеты ведем в следующем порядке. 1. Определяем по классификации ПУЭ класс взрывопожароопасной зоны для склада ЛКМ. ЛКМ обычно изготовляются на основе легковоспламеняющихся жидкостей и склад является взрывоопасной зоной. Однако ЛКМ поступают и хранятся на складе в герметичной таре. Образование взрывоопасных смесей в здании склада возможно в случае неисправной тары. Следовательно, склад ЛКМ по классификации ПУЭ относится к классу В-1а. 2. Определяем требуемую категорию устройства защиты склада ЛКМ от воздействия атмосферного электричества. Согласно п.2 здания и сооружения, в которых имеются взрывоопасные зоны класса В-1а, относятся ко II категории защиты и должны быть защищены от всех четырех опасных факторов атмосферного электричества. 3. Определяем требуемый тип защиты для склада ЛКМ. По карте среднегодовой продолжительности гроз (рисунок 1) находим, что интенсивность грозовой деятельности на территории РБ составляет 40…60 ч в год. Согласно таблице 1 такой интенсивности соответствует среднегодовое число ударов молнии, приходящееся на 1 км2 площади, равное n = 4. Ожидаемое число поражений склада ЛКМ молнией в течение года при отсутствии молниеотвода определяется по формуле: Подставляя известные данные, получаем: Так как N<1, то принимаем зону защиты типа Б. 4. Выписываем геометрические размеры зоны защиты типа Б: ; rо = 1,5
h
м
; rх = 1,5(h
м
- hх/0,92),
где hо – высота конуса зоны защиты; hм – высота стержневого молниеотвода; rх – радиус зоны защиты на уровне земли; rо – радиус зоны защиты на высоте защищаемого объекта; hх – высота защищаемого объекта. 5. Определяем радиус rо зоны защиты на высоте объекта, используя графический метод. Наносим в выбранном масштабе на лист бумаги план склада ЛКМ (вид сверху). Выбираем и наносим на схему точку установки молниеотвода (для объектов II категории расстояние между молниеотводом и защищаемым объектом не нормируется). Считая эту точку центром, описываем окружность такого радиуса, чтобы защищаемый объект (склад ЛКМ) вписался в нее. Снимаем со схемы значение радиуса rх; r = 27,5 м. Рисунок 6 – К расчету высоты отдельно стоящего стержневого молниеотвода 1 – защищаемый объект; 2 – место установки молниеотвода 6. Определяем высоту молниеотвода: h
м
= (r
х
+ 1,63hх)/1,5; hм = 25 м
7. Определяем другие размеры зоны защиты: ho
= 22,8 м; rх = 37,3 м
8. Строим на схеме зону защиты (вид сбоку) и проверяем графически вписываемость объекта здания склада в зону защиты по высоте. Библиографический список
;
;
Д еревья нередко становятся мишенью для ударов молний, что подчас приводит к очень серьезным последствиям. Мы расскажем о том, какую опасность несет поражение молнией как для самих деревьев, так и для живущих рядом с ними людей, а также как можно снизить риски, связанные с этим явлением.
Куда бьет молния
Для значительной части территории Земли грозы – вполне обыденное явление. Одновременно над Землей бушует около полутора тысяч гроз. Ежегодно, например, в Москве наблюдается более 20 грозовых дней. Но несмотря на привычность этого природного явления, его мощь не может не потрясать. Напряжение тока средней молнии около 100 000 вольт, а сила тока 20 000–50 000 ампер. Температура канала молнии при этом достигает 25 000 – 30 000 °C. Неудивительно, что попадание молнии в строения, деревья или людей и распространение ее электрического заряда часто приводит к катастрофическим последствиям.
Хотя поражение молнией отдельно взятого наземного объекта, будь то здание, мачта или дерево, довольно редкое событие, колоссальная разрушительная сила делает грозы одним из наиболее опасных для человека природных явлений. Так, по статистике, каждый седьмой пожар в сельской местности начинается из-за удара молнии, по количеству вызванных природными бедствиями зарегистрированных смертельных случаев молнии занимают второе место, уступая только наводнениям.
Вероятность поражения наземных объектов (в том числе и деревьев) молнией зависит от нескольких факторов:
- от интенсивности грозовой активности в регионе (связана с особенностями климата);
- от высоты данного объекта (чем выше, тем вероятнее удар молнии);
- от электрического сопротивления объекта и расположенных под ними слоев почвы (чем ниже электрическое сопротивление объекта и расположенных под ним слоев почвы, тем выше вероятность разряда в него молнии).
Из сказанного понятно, почему деревья часто становятся мишенью для молний: дерево нередко является преобладающим по высоте элементом рельефа, насыщенная влагой живая древесина, связанная с глубокими, обладающими низким электрическим сопротивлением слоями грунта, часто представляет собой неплохо заземленный естественный громоотвод.
Грозовая активность в некоторых населенных пунктах Московской области
Населенный пункт |
Среднегодовая продолжительность гроз, часы |
Удельная плотность ударов молний в 1 км²
|
Общая характеристика грозовой активности |
|---|---|---|---|
| Волоколамск |
40–60 |
4 |
высокая |
| Истра |
40–60 |
4 |
высокая |
| Новый Иерусалим |
40–60 |
4 |
высокая |
| Павловский Посад |
20–40 |
2 |
средняя |
| Москва |
20–40 |
2 |
средняя |
| Кашира |
20–40 |
2 |
средняя |
Чем опасно поражение молнией дерева
Последствия удара молнии в дерево часто оказываются разрушительными как для него самого, так и для расположенных рядом строений, а также представляют значительную угрозу для людей, оказавшихся в этот момент поблизости. В момент прохождения мощного электрического заряда через древесину происходит мощное выделение тепла и взрывное испарение влаги внутри ствола. Результатом этого становятся повреждения разной тяжести: от поверхностных ожогов или трещин до полного расщепления ствола или возгорания дерева. В некоторых случаях внутри ствола возникают значительные механические повреждения (продольные трещины или расщепление древесины по годичным кольцам), практически незаметные при внешнем осмотре, но существенно увеличивающие риск падения дерева в ближайшем будущем. Нередко серьезные, но незаметные при визуальном осмотре повреждения могут получать и корни дерева.
В том случае, если повреждение молнией не приводит к мгновенному разрушению или гибели дерева, полученные им обширные травмы могут стать причиной развития опасных болезней, например гнилей, сосудистых заболеваний, ослабленное растение становится легкой добычей стволовых вредителей. В результате этого дерево может стать небезопасным или усохнуть.
Удары молнии в деревья (в том числе и живые) нередко вызывают пожары, которые переходят и на близлежащие строения. Иногда боковой разряд от дерева передается на стену здания, даже если на нем установлен молниеотвод. Наконец, электрический потенциал от пораженного дерева распространяется в поверхностных слоях грунта, в результате чего он может быть занесен в здание, повредить подземные коммуникации или привести к поражению электрическим током людей или домашних животных.
Удар молнии в дерево способен причинить значительный материальный ущерб даже в том случае, если аварийной ситуации при этом не возникло. Ведь оценка безопасности такого дерева, специальный уход за ним либо даже простое удаление засохшего или безнадежно больного дерева может быть связано со значительными материальными затратами.
Иногда боковой разряд от дерева передается на стену здания, даже если на нем установлен молниеотвод.
Проблемы нормативной базы
Таким образом, молниезащита особенно ценных деревьев (являющихся центром ландшафтных композиций, исторических и редких) или деревьев, произрастающих вблизи жилья, может быть практически оправданной. Однако нормативная база, предписывающая или регулирующая молниезащиту деревьев, в нашей стране полностью отсутствует. Такое положение дел является скорее следствием инертности отечественной нормативно-правовой базы, чем адекватной оценкой рисков, связанных с поражением молниями деревьев в урбанизированной среде.
Основной действующий отечественный стандарт по молниезащите датируется 1987 годом. Отношение к молниезащите в загородной местности в этом документе отражает реалии и позиции того времени: материальная ценность большинства загородных построек была невелика, а интересы государства фокусировались на защите общественной, а не частной собственности. Кроме того, составители отечественных стандартов исходили из предположения, что при строительстве загородного жилья соблюдаются строительные нормы и правила, но это не всегда так. В частности, минимальное расстояние от ствола дерева до стены здания должно быть не менее 5 м. В реалиях же загородного строительства дома часто располагают вплотную к деревьям. Причем владельцы таких деревьев, как правило, неохотно соглашаются на их удаление.
В других странах нормативы по молниезащите есть: например американский – ANSI A 300 Part 4 или британский – British Standard 6651 регулирует в том числе и молниезащиту деревьев.
Минимальное расстояние от ствола дерева до стены здания должно быть не менее 5 м.
Когда необходима защита?
В каких случаях имеет смысл задуматься о молниезащите дерева? Перечислим факторы, на основании которых может быть рекомендовано такое решение.
Дерево произрастает на открытой местности или заметно выше соседних деревьев, зданий, сооружений и элементов рельефа . Преобладающие по высоте объекты поражаются молниями чаще.
Район с высокой грозовой активностью. При высокой частоте гроз вероятность поражения деревьев (как и других объектов) возрастает. Основными характеристиками грозовой активности являюся среднегодовое число грозовых часов, а также средняя удельная плотность ударов молний в землю (среднегодовое число ударов молний на 1 км²) земной поверхности. Последний показатель используется для расчета ожидаемого числа поражений объекта (в том числе и дерева) молнией в год. Например, в случае района со средней продолжительностью грозовых часов 40–60 в год (в частности, некоторые районы Московской области) можно ожидать поражения дерева высотой 25 м один раз в 20 лет.
Расположение участка вблизи водоемов, подземных ключей, повышенная влажность почвы на участке . Такое расположение дополнительно увеличивает риск поражения дерева молнией.
Высокое дерево произрастает на расстоянии трех или менее метров от здания. Такое расположение дерева не влияет на вероятность попадания в него молнии. Однако поражение деревьев, расположенных вблизи строений, несет значительные угрозы как для самих строений, так и для находящихся в них людей. При этом повышается риск поражения здания боковым разрядом, очень велик риск повреждения кровли при падении дерева, при его возгорании пожар может распространиться на здание.
Ветви дерева нависают над кровлей здания, касаются его стен, козырьков, водостоков или декоративных элементов фасада . В этом случае также повышается риск повреждения здания, возгораний, переноса разряда на дом.
Дерево относится к породе, часто или регулярно поражаемой ударами молний . Деревья некоторых пород поражаются молниями чаще, чем другие. Наиболее часто поражаются молниями дубы.
Корни дерева, произрастающего рядом со зданием, могут контактировать с подземным фундаментом или подходящими к дому коммуникациями . В этом случае при поражении молнией дерева повышается вероятность «заноса» разряда в помещения или повреждения коммуникаций (например, датчиков системы полива и электросетей).
Специалисты по молниезащите зданий рекомендуют установку отдельно стоящегомолниеприемника, при этом на расстоянии от 3 до 10 м есть деревья, подходящие по высоте и другим параметрам для установки молниеприемника и токоотвода . Установка отдельной мачты может обойтись довольно дорого. Для многих владельцев загородных домов такие мачты также эстетически неприемлемы. И наконец, разместить мачту в лесной зоне таким образом, чтобы при ее строительстве не пострадали корни деревьев или растяжки не мешали перемещению людей, бывает очень не просто.
Подверженность поражению незащищенных деревьев некоторых пород
(из стандарта ANSI A
300, Part
4)
Принцип действия
Принцип действия системы молниезащиты состоит в том, что разряд молнии «перехватывается» молниеприемником, безопасно проводится токоотводом и передается в глубокие слои почвы при помощи заземления.
Компонентами системы молниезащиты дерева являются: молниеприемник (один или несколько), надземный токоотвод, подземный токоотвод и система заземления, состоящая из нескольких заземляющих стержней или пластин.
При разработке собственных схем молниезащиты мы столкнулись с необходимостью сочетания отечественных стандартов по молниезащите зданий и сооружений и западных стандартов, регулирующих молниезащиту деревьев. Необходимость такого сочетания связана с тем, что в действующих отечественных стандартах нет рекомендаций по установке систем молниезащиты на деревья, а более старые предписания включают инструкции, представляющие угрозу для здоровья дерева. В то же время американский стандарт ANSI A 300, содержащий подробную информацию о креплении системы на дереве и принципах ее установки и обслуживания предъявляет более низкие требования к электробезопасности системы по сравнению с отечественными нормативами.
Компоненты молниезащиты выполняются из меди или нержавеющей стали. При этом, во избежание коррозии, используется только один из выбранных материалов во всех соединениях и контактах между проводящими элементами. Однако при использовании меди допускается применение бронзовых элементов крепления. Медные компоненты дороже, но имеют большую проводимость, что позволяет уменьшить размер компонентов, сделать их менее заметными и сократить расходы на монтаж системы.
По статистике, каждый седьмой пожар в сельской местности начинается из-за удара молнии, по количеству вызванных природными бедствиями зарегистрированных смертельных случаев молнии занимают второе место, уступая только наводнениям.
Компоненты системы
Молниеприемник представляет собой замкнутую на конце металлическую трубку. Токоотвод входит внутрь молниеприемника и присоединяется к нему болтами.
Для деревьев с раскидистой кроной бывают необходимы дополнительны токоприемники, поскольку в этом случае разряд молнии может ударить в ветви или вершины, удаленные от молниеприемника. Если на дереве установлена система механической поддержки ветвей на основе металлических тросов, то при выполнении молниезащиты она также должна быть заземлена. Для этого при помощи болтового контакта к ней присоединяется дополнительный токоотвод. Следует учитывать, что прямой контакт меди с оцинкованным тросом недопустим, поскольку ведет к коррозии.
Токоотводы от молниеприемников и дополнительных контактов соединяются при помощи специальных зажимных контактов или болтовых соединений. В соответствии со стандартом ANSI A 300 для молниезащиты деревьев используются токоотводы в виде цельнометаллических стальных кабелей различного плетения. В соответствии с отечественными стандартами минимальное эффективное сечение токоотвода из меди – 16 мм², минимальный размер эффективного сечения токоотвода из стали – 50 мм. При проведении токоотводов по дереву необходимо избегать их резких изгибов. Недопустимы изгибы токоотводов под углом меньше 900, радиус кривизны изгиба не должен быть меньше 20 см.
|
|
Токоотводы присоединяются к стволу при помощи металлических зажимов, заглубляемых в древесину ствола на несколько сантиметров. Материал зажимов не должен приводить к контактной коррозии при соединении с токоотводом. Фиксировать токоотводы, привязывая их к дереву проволокой, нельзя, поскольку радиальный рост ствола приведет к возникновению кольцевых травм и усыханию дерева. Жесткая фиксация токоотводов на поверхности ствола (скобами) приведет к их врастанию в ствол, снижению долговечности и безопасности системы и развитию обширной стволовой гнили. Оптимальный вариант крепления системы – установка динамических зажимов. В этом случае при увеличении диаметра ствола держатели с кабелями автоматически поджимаются к концу стержня давлением тканей дерева. Отметим, что заглубление штифтов зажимов на несколько сантиметров в древесину и их последующая частичная инкапсуляция деревом практически не наносит ему никакого вреда.
Токоотводы спускаются вниз по стволу до его основания и заглубляются в траншею.
Минимальная глубина траншеи для подземной части токоотвода, предписываемая стандартом ANSI A 300, – 20 см. Копка траншеи проводится вручную с сохранением максимального числа корней. В тех случаях, когда повреждение корней особенно нежелательно, для устройства траншеи следует использовать специальное оборудование. Например, воздушный нож – компрессорный инструмент, предназначенный для выполнения земляных работ в приствольной зоне деревьев. Это устройство, используя сильный сфокусированный поток воздуха, способно удалить частицы грунта, не повреждая даже самых тонких корней дерева.
Тип и параметры заземляющего устройства и расстояние, на которое должен отходить до него токоотвод, определяются свойствами грунта. Это связано с необходимостью сократить до требуемого уровня импульсное сопротивление заземления – электрическое сопротивление растеканию импульса электрического тока от заземляющего электрода. По отечественным нормам в местах, регулярно посещаемых людьми, такое сопротивление не должно превышать 10 Ом. Данная величина сопротивления заземлению должна исключить искровые пробои тока от подземного токоотвода и заземлителя на поверхность почвы и, следовательно, предотвратить поражение людей, строений и коммуникаций электрическим током. Основной показатель грунта, определяющий выбор схемы заземления, – удельное сопротивление грунта – сопротивление между двумя гранями 1 м³ земли при прохождении по нему тока.
Чем выше удельное сопротивление грунта, тем более разветвленной должна быть система заземления, чтобы обеспечить безопасное стекание электрического заряда. На грунтах с небольшим удельным сопротивлением –до 300 Ом (суглинки, глины, заболоченная местность), – как правило, применяется система заземления из двух вертикальных заземляющих стержней, соединенных токоотводом. Между стержнями выдерживается расстояние не менее 5 м. Длина стержней 2,5–3 м, верхний конец стержня заглубляется на 0,5 м.
На грунтах с большими значениями удельного сопротивления (супеси, пески, гравий) используются многолучевые системы заземления. При ограничении возможной глубины залегания заземления применяются заземляющие пластины. Для удобства осмотров и тестирования надежности заземления над заземляющими элементами устанавливаются небольшие колодцы.
Удельное сопротивление грунта не постоянная величина, ее значение сильно зависит от влажности грунта. Поэтому в засушливое время года надежность заземления может снижаться. Для предотвращения этого используется несколько приемов. Во-первых, заземляющие стержни по возможности размещаются в зоне полива. Во-вторых, верхняя часть стержня заглубляется на 0,5 м ниже поверхности грунта (верхние 0,5 м грунта наиболее склонны к пересыханию). В-третьих, при необходимости в грунт добавляется бентонит – естественный влагоудерживающий компонент. Бентонит представляет собой мелкие коллоидные частицы минеральной глины, поровое пространство которых хорошо удерживает влагу и стабилизирует влажность грунта.
Насыщенная влагой живая древесина, связанная с глубокими, обладающими низким электрическим сопротивлением слоями грунта, часто представляет собой неплохо заземленный естественный громоотвод.
Распространенные ошибки
В отечественной практике молниезащита деревьев применяется редко, и в тех случаях, когда она все же производится, при ее устройстве совершается ряд серьезных ошибок. Так, в качестве молниеотводов, как правило, используются металлические прутки, закрепляемые на дереве при помощи проволоки или металлических обручей. Такой вариант крепления приводит к возникновению серьезных кольцевых травм ствола, которые со временем приводят к полному усыханию дерева. Определенную опасность представляет и врастание токоотвода в ствол дерева, приводящее к возникновению обширных открытых продольных ран на стволе.
Поскольку установка молниезащиты на деревья производится электромонтажниками, то для подъема на дерево ими обычно используются гафы (кошки) – ботинки с металлическими шипами, наносящие серьезные травмы дереву.
К сожалению, игнорируются и особенности кроны дерева: как правило, не учитывается необходимость установки нескольких молниеприемников на многовершинные деревья с широкими кронами, не учитываются также и структурные дефекты ветвления дерева, что нередко приводит к слому и падению вершины с установленным молниеприемником.
Молниезащиту деревьев нельзя назвать распространенной практикой. Показания к ее выполнению встречаются в районах с умеренной грозовой активностью достаточно редко. Тем не менее в тех случаях, когда молниезащита деревьев необходима, крайне важно ее правильное выполнение. Проектируя и устанавливая такие системы, важно учитывать не только надежность самого молниеотвода, но и безопасность системы для защищаемого дерева.
Итоговая надежность молниезащиты будет зависеть как от правильного выбора ее материалов, контактов и заземления, так и от устойчивости самого дерева. Только учитывая особенности структуры кроны, радиального прироста, расположения корневой системы дерева, можно создать надежную и не наносящую опасных травм дереву, а значит, не создающую лишних рисков для живущих рядом людей систему молниезащиты.
Формально расчет предельно прост. Нужно знать площадь стягивания молний в здание S ст и их удельную плотность n M в месте его расположения. Произведение этих величин дает среднее ожидаемое число прямых ударов молнии в год:
N M = n M S ст (1)
В подавляющем большинстве практических ситуаций N M T мол ≈ 1/N M (2)
Во всех справочных материалах величина n M дается на 1 км 2 в год. Поэтому расчетное значение T мол оценивается в годах. Если, например, получено N M = 0,03, значит нужно в среднем ожидать один удар молнии за 1: 0,03 ≈ 33 года эксплуатации.
Понятие “в среднем” имеет здесь определяющее значение. Удар молнии в конкретное здание не обязательно произойдет через 33 года, До этого печального события, если не повезет, может пройти всего 1 - 2 года, а возможно и 100 лет (для особо везучих). Оцененный срок действительно средний . Он может быть подтвержден только многолетней статистикой наблюдений за большим числом однотипных зданий.
Таблица 1 заимствована из нормативного документа РД 34.21.122-87.
Таблица 1
Чтобы найти величину n M , нужно сначала обратиться к карте продолжительности гроз (она тоже есть в нормативе), снять с нее среднегодовую продолжительность гроз для места расположения рассматриваемого здания и потом по таблице 1 получить искомое n M . Надо ли говорить, насколько приблизительным будет результат расчета. Хотелось бы оперировать более строгими цифрами, полученными, например, системой дистанционной регистрации интенсивности грозовой деятельности с пространственным разрешением хотя бы 200 - 500 м. К сожалению, в отличие от многих технически развитых стран, на территории России такая система пока еще не развернута.
Понятно, что в сложившейся ситуации бессмысленно тратить большие усилия на строгое вычисление площади стягивания. По опыту наблюдений за сооружениями разной высоты принято, что она ограничивается линией, удаленной от внешнего периметра объекта на расстояние, равного 3-м его высотам. Построение легко выполнить. Потом остается вычислить ограниченную площадь (внутри синей линии на рис. 1) любым методом, в крайнем случае, - по клеточкам на миллиметровке. При большой неопределенности значения nM погрешность вычисления площади вряд ли будет сколько-нибудь значима.
Рисунок 1
Часто элементы здания имеют разную высоту. В этом случае радиус стягивания можно оценить по высоте наиболее высокого элемента. Результат ожидаемого числа ударов даст тогда оценку сверху. Для уточнения расчета нужно построить площади для всех различных по высоте строительных фрагментов и провести их общую внешнюю границу, как это показано на рис. 2. Ограниченная ею территория даст уточненную площадь стягивания для здания в целом.
Рисунок 2
Выполненные построения справедливы только для уединенного здания. Соседние строения или высокие деревья могут сильно изменить результат. Представьте себе район городской застройки или садовый кооператив, где дома стоят едва ли не вплотную. Их зоны стягивания молний частично накладываются друг на друга. В итоге ожидаемое число ударов в каждый из домов будет меньше. При сопоставимой высоте соседних зданий можно считать, что из наложенных друг на друга участков зон стягивания молнии распределятся поровну между домами. Если же высоты принципиально различны, а их зоны стягивания перекрываются значительной долей, приходится прибегать к компьютерному расчету. Так же нужно поступать и в случае, когда заказчик требует большой точности.
На практике необходимость уточненных расчетов возникает редко. Оценка числа ударов молнии для уединенно расположенного здания всегда можно рассматривать как предельную, а ошибка даже на уровне значащей цифры вполне допустима из-за грубой оценки плотности грозовых разрядов на территории России.
При расчете ВЛ и их элементов должны учитываться климатические условия - ветровое давление, толщина стенки гололеда, температура воздуха, степень агрессивного воздействия окружающей среды, интенсивность грозовой деятельности, пляска проводов и тросов, вибрация.
Определение расчетных условий по ветру и гололеду должно производиться на основании соответствующих карт климатического районирования территории РФ (рис.2.5.1, 2.5.2 - см. цветную вклейку) с уточнением при необходимости их параметров в сторону увеличения или уменьшения по региональным картам и материалам многолетних наблюдений гидрометеорологических станций и метеопостов за скоростью ветра, массой, размерами и видом гололедно-изморозевых отложений. В малоизученных районах* для этой цели могут организовываться специальные обследования и наблюдения.
* К малоизученным районам относятся горная местность и районы, где на 100 км трассы ВЛ для характеристики климатических условий имеется только одна репрезентативная метеорологическая станция.
Рис.2.5.1. Карта районирования территории РФ по ветровому давлению
Рис.2.5.2. Карта районирования территории РФ по тощине стенки гололеда
При отсутствии региональных карт значения климатических параметров уточняются путем обработки соответствующих данных многолетних наблюдений согласно методическим указаниям (МУ) по расчету климатических нагрузок на ВЛ и построению региональных карт с повторяемостью 1 раз в 25 лет.
Основой для районирования по ветровому давлению служат значения максимальных скоростей ветра с 10-минутным интервалом осреднения скоростей на высоте 10 м с повторяемостью 1 раз в 25 лет. Районирование по гололеду производится по максимальной толщине стенки отложения гололеда цилиндрической формы при плотности 0,9 г/см на проводе диаметром 10 мм, расположенном на высоте 10 м над поверхностью земли, повторяемостью 1 раз в 25 лет.
Температура воздуха определяется на основании данных метеорологических станций с учетом положений строительных норм и правил и указаний настоящих Правил.
Интенсивность грозовой деятельности должна определяться по картам районирования территории РФ по числу грозовых часов в году (рис.2.5.3 - см. цветную вклейку), региональным картам с уточнением при необходимости по данным метеостанций о среднегодовой продолжительности гроз.
Рис.2.5.3. Карта районирования территории РФ по среднегодовой продолжительности гроз в часах
Степень агрессивного воздействия окружающей среды определяется с учетом положений СНиПов и государственных стандартов, содержащих требования к применению элементов ВЛ, гл.1.9 и указаний настоящей главы.
Определение районов по частоте повторяемости и интенсивности пляски проводов и тросов должно производиться по карте районирования территории РФ (рис.2.5.4 - см. цветную вклейку) с уточнением по данным эксплуатации.
Рис.2.5.4. Карта районирования территории РФ по пляске проводов
По частоте повторяемости и интенсивности пляски проводов и тросов территория РФ делится на районы с умеренной пляской проводов (частота повторяемости пляски 1 раз в 5 лет и менее) и с частой и интенсивной пляской проводов (частота повторяемости более 1 раза в 5 лет).
2.5.39
При определении климатических условий должно быть учтено влияние на интенсивность гололедообразования и на скорость ветра особенностей микрорельефа местности (небольшие холмы и котловины, высокие насыпи, овраги, балки и т.п.), а в горных районах - особенностей микро- и мезорельефа местности (гребни, склоны, платообразные участки, днища долин, межгорные долины и т.п.).
2.5.40
Значения максимальных ветровых давлений и толщин стенок гололеда для ВЛ определяются на высоте 10 м над поверхностью земли с повторяемостью 1 раз в 25 лет (нормативные значения).
2.5.41
Нормативное ветровое давление , соответствующее 10-минутному интервалу осреднения скорости ветра (), на высоте 10 м над поверхностью земли принимается по табл.2.5.1 в соответствии с картой районирования территории России по ветровому давлению (рис.2.5.1) или по региональным картам районирования.
Таблица 2.5.1Нормативное ветровое давление на высоте 10 м над поверхностью земли
Полученное при обработке метеоданных нормативное ветровое давление следует округлять до ближайшего большего значения, приведенного в табл.2.5.1.
Ветровое давление определяется по формуле, Па
Ветровое давление более 1500 Па должно округляться до ближайшего большего значения, кратного 250 Па.
Для ВЛ 110-750 кВ нормативное ветровое давление должно приниматься не менее 500 Па.
Для ВЛ, сооружаемых в труднодоступных местностях, ветровое давление рекомендуется принимать соответствующим району на один выше, чем принято для данного региона по региональным картам районирования или на основании обработки материалов многолетних наблюдений.
2.5.42
Для участков ВЛ, сооружаемых в условиях, способствующих резкому увеличению скоростей ветра (высокий берег большой реки, резко выделяющаяся над окружающей местностью возвышенность, гребневые зоны хребтов, межгорные долины, открытые для сильных ветров, прибрежная полоса морей и океанов, больших озер и водохранилищ в пределах 3-5 км), при отсутствии данных наблюдений нормативное ветровое давление следует увеличивать на 40% по сравнению с принятым для данного района. Полученные значения следует округлять до ближайшего значения, указанного в табл.2.5.1.
2.5.43
Нормативное ветровое давление при гололеде с повторяемостью 1 раз в 25 лет определяется по формуле 2.5.41, по скорости ветра при гололеде .
Скорость ветра принимается по региональному районированию ветровых нагрузок при гололеде или определяется по данным наблюдений согласно методическим указаниям по расчету климатических нагрузок. При отсутствии региональных карт и данных наблюдений . Для ВЛ до 20 кВ нормативное ветровое давление при гололеде должно приниматься не менее 200 Па, для ВЛ 330-750 кВ - не менее 160 Па.
Нормативные ветровые давления (скорости ветра) при гололеде округляются до ближайших следующих значений, Па (м/с): 80 (11), 120 (14), 160 (16), 200 (18), 240 (20), 280 (21), 320 (23), 360 (24).
Значения более 360 Па должны округляться до ближайшего значения, кратного 40 Па.
2.5.44
Ветровое давление на провода ВЛ определяется по высоте расположения приведенного центра тяжести всех проводов, на тросы - по высоте расположения центра тяжести тросов, на конструкции опор ВЛ - по высоте расположения средних точек зон, отсчитываемых от отметки поверхности земли в месте установки опоры. Высота каждой зоны должна быть не более 10 м.
Для различных высот расположения центра тяжести проводов, тросов, а также средних точек зон конструкции опор ВЛ ветровое давление определяется умножением его значения на коэффициент , принимаемый по табл.2.5.2.
Таблица 2.5.2 Изменение коэффициента по высоте в зависимости от типа местности
Высота расположения приведенного центра тяжести проводов, тросов и средних точек зон конструкций опор ВЛ над поверхностью земли, м |
Коэффициент для типов местности |
||
| А | В | С | |
| До 15 | 1,00 | 0,65 | 0,40 |
| 20 | 1,25 | 0,85 | 0,55 |
| 40 | 1,50 | 1,10 | 0,80 |
| 60 | 1,70 | 1,30 | 1,00 |
| 80 | 1,85 | 1,45 | 1,15 |
| 100 | 2,00 | 1,60 | 1,25 |
| 150 | 2,25 | 1,90 | 1,55 |
| 200 | 2,45 | 2,10 | 1,80 |
| 250 | 2,65 | 2,30 | 2,00 |
| 300 | 2,75 | 2,50 | 2,20 |
| 350 и выше | 2,75 | 2,75 | 2,35 |
Примечание. Типы местности соответствуют определениям, приведенным в 2.5.6.
Полученные значения ветрового давления должны быть округлены до целого числа.
Для промежуточных высот значения коэффициентов определяются линейной интерполяцией.
Высота расположения приведенного центра тяжести проводов или тросов для габаритного пролета определяется по формуле, м
,
где - среднеарифметическое значение высоты крепления проводов к изоляторам или среднеарифметическое значение высоты крепления тросов к опоре, отсчитываемое от отметок земли в местах установки опор, м;
Стрела провеса провода или троса в середине пролета при высшей температуре, м.
2.5.45
При расчете проводов и тросов ветер следует принимать направленным под углом 90° к оси ВЛ.
При расчете опор ветер следует принимать направленным под углом 0°, 45° и 90° к оси ВЛ, при этом для угловых опор за ось ВЛ принимается направление биссектрисы внешнего угла поворота, образованного смежными участками линии.
Практически любой надземный объект не застрахован от удара молнии.
На земном шаре ежегодно происходит до 16 млн. гроз, т. е. около 44 тыс.
за день.
Грозовая деятельность над различными участками земной поверхности неодинакова.
Для расчета грозозащитных мероприятий необходимо знать конкретную величину, характеризующую грозовую деятельность в данной местности. Такой величиной является интенсивность грозовой деятельности, которую принято определять числом грозовых часов или грозовых дней в году, вычисляемым как среднеарифметическое значение за ряд лет наблюдений для определенного места земной поверхности.
Интенсивность грозовой деятельности в данном районе земной поверхности определяется также числом ударов молнии в год, приходящихся на 1 км2 земной поверхности.
Число часов грозовой деятельности в год берется из
официальных данных метеостанций данной местности.
Связь между грозовой деятельностью и средним числом поражений молнией на 1
км2 (n) составляет:
Средняя продолжительность гроз за один грозовой день для территории европейской части России и Украины 1,5–2 ч.
Среднегодовая продолжительность гроз для Москвы - 10-20 часов/год, плотность ударов молнии в землю 1/км2 в год - 2,0.
К арты среднегодовой продолжительности гроз
(ПУЭ 7. Правила устройства электроустановок)
В странах Европы данную статистику проектировщик может легко получить с помощью автоматизированной системы определения места удара молнии. Данные системы состоят из большого количества датчиков, размещенных по всей территории Европы и образующих единую контролирующую сеть.
Информация от датчиков в реальном масштабе времени поступает на контролирующие серверы и с помощью специального пароля доступна через Интернет.
По имеющимся данным, в районах с числом грозовых часов в году π = 30
на 1 км2 поверхности земли в среднем поражается 1 раз в 2 года, т.е. среднее
число разрядов молнии в 1 км2 поверхности земли за 1 грозовой час равно
0,067. Эти данные, позволяющие оценить частоту поражения молнией различных
объектов.
|
Ожидаемое количество поражений молнией в год зданий и сооружений высотой не более 60 м, не оборудованных молниезащитой, имеющих неизменную высоту (рис. 4а), определяется по формуле:
где: Примечание: для средней полосы России можно принять п = 5
Если части здания имеют неодинаковую высоту (рис. 4б), то зона защиты, создаваемая высотной частью, может охватывать всю остальную часть здания. Если зона защиты высотной части не охватывает всего здания, необходимо учесть часть здания, находящуюся вне зоны защиты высотной части. Радиус защитного действия молниеотвода
определяется высотой мачты и для традиционной системы приближенно
рассчитывается по формуле: |
Рис.4. Зона защиты, создаваемая сооружениями |
Рис. 4. Зона защиты, создаваемая сооружениями а - здания с одной
высотой; б - здания, имеющие разные высоты.
Рекомендуемая формула позволяет произвести количественную оценку
вероятности поражения молнией различных сооружений, расположенных в
равнинной местности с достаточно однородными грунтовыми условиями.
З начение параметра п, входящего в расчетную формулу, может в несколько раз отличаться от значений, приведенных выше.
В горных районах большая часть разрядов молнии происходит между облаками, поэтому значение п может оказаться существенно меньше.
Районы, где имеются слои почвы высокой проводимости, как показывают наблюдения, избирательно поражаются разрядами молнии, поэтому значение п в этих районах может оказаться существенно выше.
Избирательно могут поражаться районы с плохо проводящими грунтами, в которых проложены протяженные металлические коммуникации (кабельные линии, металлические трубопроводы).
Избирательно поражаются также возвышающиеся над поверхностью земли металлические предметы (вышки, дымовые трубы).
Плотность ударов молнии в землю, выраженная через число поражений 1
км 2 земной поверхности за год, определяется по данным метеорологических
наблюдений в месте расположения объекта или рассчитывается по формуле.
При расчете числа поражений нисходящими молниями принимается, что
возвышающийся объект принимает на себя разряды, которые в его отсутствие
поразили бы поверхность земли определенной площади (так называемую
поверхность стягивания). Эта площадь имеет форму круга для сосредоточенного
объекта (вертикальной трубы или башни) и форму прямоугольника для
протяженного объекта.
Имеющаяся статистика поражений объектов разной высоты в местностях с
разной продолжительностью гроз позволила определить связь между радиусом
стягивания (ro) и высота объекта (hх); в среднем его можно принять ro =
3hх.
Анализ показывает, что сосредоточенные объекты поражаются нисходящими
молниями высота до 150 м. Объекты выше 150 м на 90 %, поражаются
восходящими молниями.
В отечественных нормативах высота молниеотвода и защищаемого объекта при любых обстоятельствах отсчитывается от уровня земли, а не от крыши сооружения, что гарантирует определенный запас при проектировании, к сожалению, не оцененный в количественном выражении.
Внешняя молниезащита
Внешняя молниезащита дома проектируется с целью перехвата молнии и
отвода ее в землю.Таким
образом полностью исключается попадание молнии в здание и его возгорание.
Внутренняя молниезащита
Возгорание здание не единственная опасность при грозе. Существует
опасность воздействия на приборы электромагнитного поля, которое вызывает
перенапряжение в электрических сетях. Это может привести к отключению
сигнализации и света, вывести из строя технику.
Установка специальных устройств защиты от импульсных напряжений
позволяют мгновенно реагировать на перепады напряжения в сети и сохранить
работающую дорогостоящую технику.
Основные типы систем молниеотводов:
с использованием 1 штыря на весь дом, которая, в свою очередь, подразделяется на традиционную (молниеотвод Франклина) и с ионизатором;
с использованием системы штырей, соединенных между собой (клетка Фарадея).
с использованием троса, натягиваемым над защищаемым сооружением.
Воздействия тока молнии
При разряде молнии в объект ток оказывает тепловые, механические и
электромагнитные воздействия.
Тепловые воздействия тока молнии. Протекание тока молнии через
сооружения связано с выделением тепла. При этом ток молнии может вызвать
нагревание токоотвода до температуры плавления или даже испарения.
Сечение проводников должно быть выбрано с таким расчетом, чтобы была
исключена опасность недопустимых перегревов.
Оплавление металла в месте соприкосновения канала молнии может быть
значительным, если молния попадает в острый шпиль. При контакте канала
молнии с металлической плоскостью происходит оплавление на достаточно
большой площади, численно равной в квадратных миллиметрах значению амплитуды
тока в килоамперах.
Механические воздействия токов молнии. Механические усилия,
возникающие в различных частях здания и сооружениях при прохождении по ним
токов молнии, могут быть весьма значительными.
При воздействии токов молнии деревянные конструкции могут
быть полностью разрушены, а кирпичные трубы и иные надземные сооружения из
камня и кирпича могут иметь значительные повреждения.
При ударе молнии в бетон образуется узкий канал разряда. Значительная
энергия, выделяемая в канале разряда, может вызвать разрушение, которое
приведет либо к снижению механической прочности бетона, либо к деформации
конструкции.
При ударе молнии в железобетон возможно разрушение бетона с
деформацией стальной арматуры.
ПРОВЕРКА МОЛНИЕЗАЩИТЫ
Система молниезащиты здания нуждается в периодической проверке. Необходимость таких мероприятий обусловлена, во-первых, важностью данных устройств для безопасности как самих объектов недвижимости, так и находящихся поблизости людей, а во-вторых, нахождением громоотводов под постоянным воздействием неблагоприятных факторов окружающей среды.
Первая проверка
системы молниезащиты осуществляется непосредственно после монтажа. В
дальнейшем она проводится через определенные, установленные нормативами,
промежутки времени.
ПЕРИОДИЧНОСТЬ ПРОВЕРОК МОЛНИЕЗАЩИТЫ
Периодичность проверки молниезащиты определяется в соответствии с п. 1.14 РД 34.21.122-87 «Инструкции по устройству молниезащиты зданий и сооружений».
Согласно документу для
всех категорий зданий она проводится не реже 1 раза в год.
В соответствии с «Правилами технической эксплуатации электроустановок потребителей» проверка заземляющих контуров проводится:
1 раз в полгода – визуальный осмотр видимых элементов заземляющего устройства;
1 раз в 12 лет – осмотр, сопровождающийся выборочным вскрытием грунта.
Измерение сопротивления заземляющих контуров:
1 раз в 6 лет – на ЛЭП с напряжением до 1000 В;
1 раз в 12 лет – на ЛЭП с напряжением свыше 1000 В.
СИСТЕМА МЕРОПРИЯТИЙ ПРОВЕРКИ МОЛНИЕЗАЩИТЫ
Проверка молниезащиты включает в себя следующие мероприятия:
проверка связи между заземлением и молниеприемником;
измерение переходного сопротивления болтовых соединений системы грозозащиты;
проверка заземления;
проверка изоляции;
визуальный осмотр целостности элементов системы (токоотводов, молниеприемника, мест контакта между ними), отсутствия на них коррозии;
проверка соответствия реально смонтированной системы грозозащиты проектной документации, обоснованности установки данного типа громоотвода на данном объекте;
испытание механической прочности и целостности сварных соединений системы грозозащиты (все соединения простукиваются молотком);
определение сопротивления заземлителя каждого отдельно стоящего молниеотвода. При последующих проверках величина сопротивления не должна превышать уровень, определенный при приемо-сдаточных испытаниях, больше чем в 5 раз;
Проверка сопротивления
системы грозозащиты проводится с помощью прибора MRU-101. При этом методика
проверки молниезащиты может быть разной. К наиболее распространенным
относятся:
Измерение сопротивления в системе
молниезащиты по трёхполюсной схеме
Измерение сопротивления в системе
молниезащиты по четырехполюсной схеме
Четырехполюсная система проверки
является более точной и сводит до минимума возможность ошибки.
Проверку заземления лучше всего
проводить в условиях максимального сопротивления грунта – при сухой погоде
или в условиях наибольшего промерзания. В остальных случаях для получения
точных данных используются поправочные коэффициенты.
По итогам осмотра системы оформляется протокол проверки молниезащиты, который свидетельствует об исправности оборудования.
Согласно действующим нормам для определения класса молниезащиты требуются подробные данные объекта и соответственно факторы риска. Для их получения предлагается заполнять несколько опросных листов. Но благодаря этой табличке можно предварительно выбрать класс молниезащиты и факторы риска без подробных данных.
|
Мин. амплитудное значение тока молнии |
Макс. амплитудное значение тока молнии |
Вероятность попадания в систему молниезащиты |
|
|
3 кА |
200 кА |
||
|
5 кА |
150 кА |
||
|
10 кА |
100 кА |
||
|
16 кА |
100 кА |
Молниезащита промышленных зданий и сооружений
(Справочник по электроснабжению промышленных предприятий. Промышленные
электрические сети).
Определение необходимости молниезащиты производственных зданий и сооружений,
не вошедших в указанные в табл. , может производиться по причинам, дающим
основание для применения молниезащитных устройств.
Причинами для необходимости устройств молниезащиты может служить число
поражений молнией в год более 0,05 для зданий и сооружений I и II степени
огнестойкости; 0,01 - для III, IV и V степени огнестойкости (независимо от
активности грозовой деятельности в рассматриваемом районе).
В зданиях большой площади (при ширине 100 м и более) необходимо согласно §
2-15 и 2-27 СН305-69 предусматривать меры для выравнивания потенциала внутри
здания во избежание повреждения электроустановок и поражения людей при
прямых ударах молний в здание.
Классификация зданий и сооружений по устройству молниезащиты и необходимости ее выполнения
|
Здания и сооружения |
Местность, в которой здания и сооружения подлежат обязательной молниезащите |
|
| Производственные здания и сооружения с производствами, относимыми к классам В-І и В-ІІ ПУЭ | На всей территории СССР | |
| Производственные здания и сооружения с помещениями, относимыми к классам В-Іа, В-Іб и В-ІІа по Правилам устройства электроустановок | В местностях со средней грозовой деятельностью 10 ч и более в год |
ІІ |
| Наружные технические установки и наружные склады, содержащие взрывоопасные газы, пары, горючие и легковоспламеняющиеся жидкости (например, газгольдеры, емкости, сливо-наливные эстакады и т. п.),относимые к классу В-ІІа по ПУЭ | На всей территории СССР |
ІІ |
| Производственные здания и сооружения с производствами, относимыми к классам П-І, П-ІІ или П-ІІа по ПУЭ | В местностях со средней грозовой деятельностью 20 грозовых часов и более в год при ожидаемом количестве поражений молнией здания или сооружения в год не менее 0,05 для зданий или сооружений І степени огнестойкости и 0,01 - для III, IV и V степени стойкости |
ІІІ |
| Производственные здания и сооружения III, IV и V степени огнестойкости, относимые по ступеням пожарной опасности к категориям Г и Д по СНиП ІІ-М, 2-62, а также открытые склады твердых горючих веществ, относимые к классу П-ІІІ по ПУЭ | В местностях со средней грозовой деятельностью 20 грозовых часов и более в год при ожидаемом количестве поражений молнией здания или сооружения в год не менее 0,05 |
ІІІ |
| Наружные установки, в которых применяются или хранятся горючие жидкости с температурой вспышки паров выше 45 оС, относимые к классу П-ІІІ по ПУЭ |
ІІІ |
|
| Животноводческие и птицеводческие здания и сооружения сельскохозяйственных предприятий III, IV и V степени огнестойкости следующего назначения: коровники и телятники на 100 голов и более, свинарники для животных всех возрастов и групп на 100 голов и более; конюшни на 40 голов и более; птичники для всех видов возрастов птицы на 1000 голов и более | В местностях со средней грозовой деятельностью 40 грозовых часов и более в год |
ІІІ |
| Вертикальные вытяжные трубы промышленных предприятий и котельных, водонапорные и силосные башни, пожарные вышки высота 15-30 м от поверхности земли | В местностях со средней грозовой деятельностью 20 грозовых часов и более в год |
ІІІ |
| Вертикальные вытяжные трубы промышленных предприятий и котельных высотой более 30 м от поверхности земли | На всей территории СССР |
ІІІ |
| Жилые и общественные здания, возвышающиеся на уровне общего массива застройки более, чем на 25 м, а также отдельно стоящие здания высотой более 30 м, удаленные от массива застройки не менее, чем на 100 м | В местностях со средней грозовой деятельностью 20 грозовых часов и более в год |
ІІІ |
| Общественные здания IV и V степени огнестойкости следующего назначения: детские сады и ясли; учебные и спальные корпуса, столовые санаториев, учреждений отдыха и пионерских лагерей, спальные корпуса больниц; клубы и кинотеатры | В местностях со средней грозовой деятельностью 20 грозовых часов и более в год |
ІІІ |
| Здания и сооружения, имеющие историческое и художественное значение, находящиеся в ведении управления изобразительных искусств и охраны памятников Министерства культуры СССР | На всей территории СССР |
ІІІ |
Разъяснение
Управления по надзору в электроэнергетике Ростехнадзора о совместном
применении "Инструкции по молниезащите зданий и сооружений" (РД
34.21.122-87) и "Инструкции по молниезащите зданий, сооружений и
промышленных коммуникаций"
(СО 153-34.21.122-2003)
|
ФЕДЕРАЛЬНАЯ СЛУЖБА |
Руководителям Федеральных |
||
|
ПО ЭКОЛОГИЧЕСКОМУ, ТЕХНОЛОГИЧЕСКОМУ |
|||
|
И АТОМНОМУ НАДЗОРУ |
|||
|
УПРАВЛЕНИЕ |
|||
|
ПО НАДЗОРУ В ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКЕ |
|||
|
109074, Москва, К-74 |
|||
|
Китайгородский пр., 7 |
|||
|
тел. 710-55-13, факс 710-58-29 |
|||
|
01.12.2004 |
№ |
10-03-04/182 |
|
|
На № |
от |
||
В управление по надзору в электроэнергетике Федеральной службы по надзору в электроэнергетике (Ростехнадзор) и ранее в Госэнергонадзор от многочисленных организаций поступают вопросы о порядке использования "Инструкции по молниезащите зданий, сооружений и промыш ленных коммуникаций" (СО 153-34.21.122-2003), утвержденной приказом Минэнерго России от 30.06.2003 № 280. Обращается внимание на трудности пользования данной Инструкцией из-за от сутствия справочных материалов. Также задаются вопросы о правомерности приказа РАО "ЕЭС России" от 14.08.2003 № 422 "О пересмотре нормативно-технических документов (НТД) и порядке их действия в соответствии с ФЗ "О техническом регулировании" и о сроках подготовки посо бий к инструкцииСО 153-34.21.122-2003 .
Управление по надзору в электроэнергетике Ростехнадзора в связи с этим разъясняет.
В соответствии с положением Федерального закона от 27.12.2002№ 184-ФЗ"О техническом регулировании", ст. 4 органы исполнительной власти вправе утверждать (издавать) документы (акты) только рекомендательного характера. К такому типу документа и относится "Инструкция по молниезащите зданий, сооружений и промышленных коммуникаций".
Приказ Минэнерго России от 30.06.2003 № 280 не отменяет действие предыдущего издания "Инструкции по молниезащите зданий и сооружений" (РД 34.21.122-87), а слово "взамен" в преди словии отдельных изданий инструкцииСО 153-34.21.122-2003, не означает недопустимость использования предыдущей редакции. Проектные организации вправе использовать при определе нии исходных данных и при разработке защитных мероприятий положение любой из упомянутых инструкций или их комбинацию.
Срок подготовки справочных материалов к "Инструкции по молниезащите зданий, сооруже ний и промышленных коммуникаций",СО 153-34.21.122-2003, к настоящему времени не опреде лен из-за отсутствия источников финансирования этой работы.
Приказ РАО "ЕЭС России" от 14.08.2003 № 422 является корпоративным документом и не имеет силы для организаций, не входящих в структуру РАО "ЕЭС России".
Начальник Управления Н.П. Дорофеев
ГОСТы по молниезащите
ГОСТ Р МЭК 62561.1-2014 Компоненты системы молниезащиты.
Часть 1. Требования к соединительным компонентам
ГОСТ Р МЭК 62561.2-2014 Компоненты системы молниезащиты. Часть 2. Требования
к проводникам и заземляющим электродам
ГОСТ Р МЭК 62561.3-2014 Компоненты систем молниезащиты. Часть 3. Требования
к разделительным искровым разрядникам
ГОСТ Р МЭК 62561.4-2014 Компоненты систем молниезащиты. Часть 4. Требования
к устройствам крепления проводников
ГОСТ Р МЭК 62561.5-2014 Компоненты систем молниезащиты. Часть 5. Требования
к смотровым колодцам и уплотнителям заземляющих электродов
ГОСТ Р МЭК 62561.6-2015 Компоненты системы молниезащиты. Часть 6. Требования
к счетчикам ударов молнии
ГОСТ Р МЭК 62561-7-2016 Компоненты системы молниезащиты. Часть 7. Требования
к смесям, нормализующим заземление
ГОСТ Р МЭК 62305-1-2010 Менеджмент риска. Защита от молнии. Часть 1. Общие
принципы
ГОСТ Р МЭК 62305-2-2010 Менеджмент риска. Защита от молнии. Часть 2. Оценка
риска
ГОСТ Р МЭК 62305-4-2016 Защита от молнии. Часть 4. Защита электрических и
электронных систем внутри зданий и сооружений
ГОСТ Р54418.24-2013 (МЭК 61400-24:2010) Возобновляемая энергетика.
Ветроэнергетика. Установки ветроэнергетические. Часть 24. Молниезащита
Международная электротехническая комиссия
(МЭК; англ. International
Electrotechnical Commission, IEC; фр. Commission électrotechnique
internationale, CEI) - международная некоммерческая организация по
стандартизации в области электрических, электронных и смежных технологий.
Стандарты МЭК имеют номера в диапазоне 60 000 - 79 999, и их названия
имеют вид типа МЭК 60411 Графические символы. Номера старых стандартов МЭК
были преобразованы в 1997 году путём добавления числа 60 000, например,
стандарт МЭК 27 получил номер МЭК 60027. Стандарты, развитые совместно с
Международной организацией по стандартизации, имеют названия вида ISO/IEC
7498-1:1994 Open Systems Interconnection: Basic Reference Model.
Международной Электротехнической Комиссией (МЭК) разработаны стандарты, в которых изложены принципы защиты зданий и сооружений любого назначения от перенапряжений, позволяющие правильно подойти к вопросам проектирования строительных конструкций и системы молниезащиты объекта, рациональному размещению оборудования и прокладке коммуникаций.
К ним, в первую очередь, относятся следующие стандарты:
IEC-61024-1 (1990-04): «Молниезащита строительных конструкций. Часть 1. Основные принципы».
IEC-61024-1-1 (1993-09): «Молниезащита строительных конструкций. Часть 1. Основныепринципы. Руководство А: Выбор уровней защиты для молниезащитных систем».
IEC-61312-1 (1995-05): «Защита от электромагнитного импульса молнии. Часть 1. Основные принципы».
Требования, изложенные в данных стандартах, формируют «Зоновую концепцию защиты», основными принципами которой являются:
применение строительных конструкций с металлическими элементами (арматурой, каркасами, несущими элементами и т.п.), электрически связанными между собой и системой заземления, и образующими экранирующую среду для уменьшения воздействия внешних электромагнитных влияний внутри объекта («клетка Фарадея»);
наличие правильно выполненной системы заземления и выравнивания потенциалов;
деление объекта на условные защитные зоны и применение специальных устройств защиты от перенапряжений (УЗИП);
соблюдение правил размещения защищаемого оборудования и подключенных к нему проводников относительно другого оборудования и проводников, способных оказывать опасное воздействие или вызвать наводки.