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+Зh_x) (L + 3h_x) п • 10^-6,

где S — ширина здания (сооружения), м; L — длина здания (сооружения), м; h_x —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 км^г земной поверхности

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 S_в 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=0,5R_и, но не менее 3 м, где R_и — значение импульсного со­противления каждого заземлителя защиты от прямых ударов молнии.

Импульсное сопротивление заземлителя R_и — 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 R_н 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.

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 h_x).

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 h_x.

конуса имеет радиус r=1,5h. Горизонтальное сечение зоны защиты на высоте защищаемого сооружения h_x представляет круг радиусом r_х (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 h_x опреде­ляется следующими соотношениями:

r_x = 1,5(h – 1,25h_x) при 0≤h_x ≤ 2/3h;

r_x1 = 0,75(h – h_x1) при 2/3h≤h_x1 ≤ 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: h_оп — 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 h_х равна 2r_0x, причем r₀ следует принимать равным 1,25 h.

Графическое построение зоны защиты в горизонтальной плос­кости на уровне h_x производится путем нанесения окружностей, изображающих зоны защиты, от каждой опоры молниеотвода на высоте h_x и соединением их касательными с точками, находящи­мися посередине расстояния δ и отстоящими от прямой, соединя­ющей опоры, на расстоянии r_ох.

При расчетах зоны защиты в сечении А — А следует пользо­ваться формулами:

r_ox = 1,25(h – 1,25h_x) при 0≤h_x ≤ 2/3h;

r_ox = 0,625(h – h_x) при 2/3h≤h_x ≤ h;

Для обеспечения расчетной высоты тросового молниеотвода высота опор h_oп 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.

Конструкции молниеотводов. Опоры стержневых молниеотво­дов могут быть выполнены из стали любой марки и предохранены от коррозии окраской. Деревянные опоры и пасынки следует пропитывать антисептиками. В качестве опор молниеотводов до­пускается использование стволов деревьев, растущих вблизи защищаемых зданий и сооружений.

Молниеприемники могут быть изготовлены из стали любых марок. Они должны быть окрашены или оцинкованы. В качество молниеприёмников могут служить металлические конструкции зданий и сооружений, например дымовые и выхлопные трубы, дефлекторы, кровля и др. Для стержневых молниеотводов молниеприемники изготовляются из стали любого профиля сечением не менее 100 м² и длиной не менее 200 мм. Для тросовых молниеотво­дов молниеприемники следует изготовлять из многопроволочного оцинкованного троса сечением не менее 35 мм².

Соединение молниеприемников с токоотводами выполняется сваркой. Соединение стальной кровли с токоотводами выполня­ется при помощи специальных зажимов.

В качестве токоотводов и заземлителей могут быть исполь­зованы круглые тросы, прямоугольные полосы, угловая сталь пли стальные трубы сечением согласно табл. 8-11.

Таблица 8-11

Наименьшие размеры стальных токоотеодое и заземлителей

Заземлители в зависимости от их расположения в грунте мо­гут быть углубленными, вертикальными, горизонтальными и ком­бинированными.

Углубленные заземлители изготовляются из полосовой пли прутковой стали и укладываются горизонтально на дно котлована в виде протяженных элементов или контуров по периметру фун­дамента здания.

Вертикальные заземлители из стальных стержней ввинчиваются или забиваются в грунт на глубину 4—5 м.

Горизонтальные заземлители из полосовой стали укладывают­ся в грунте на глубине 0,6—0,8 м от поверхности одним или нес­колькими расходящимися лучами.

Комбинированные заземлители — вертикальные и горизонталь­ные, объединенные в одну общую систему.

Все соединения заземлителей и между собой и с токоотводами выполняются сваркой, причем длина сварочного шва должна быть не менее двойной ширины свариваемых полос и не менее шести диаметров свариваемых круглых проводников. Болтовые соединения разрешаются только для временных заземлителей.