Защита зданий и сооружений от атмосферного электричества

Разряды атмосферного электричества способны вызвать взрывы, загорания и разрушения наземных объектов, что привело к необходимости разработки специальной системы защитных мер безопасности от действия молний.

Молниезащитой называется комплекс защитных устройств, предназначенных для обеспечения безопасности людей, сохранности зданий и сооружений, оборудования и материалов от возможных взрывов, загораний и разрушений, вызванных электрическим, тепловым или механическим воздействием молний.

Нормами предусмотрено три уровня молниезащиты (категории устройства молниезащиты) в зависимости от взрывной и пожарной опасности, вместимости, огнестойкости и назначения защищаемых объектов, а также с учетом средней грозовой деятельности в год.

Ожидаемое число поражении молнией в год зданий и сооружений, не оборудованных молниезащитой

N = (S + 6h) (L + 6h) n ∙ 10^-6,

где S и L— соответственно ширина и длина защищаемого здания или сооружения, имеющего в плане прямоугольную форму, м; h — наибольшая высота здания или сооружения; n — среднегодовое число ударов молнии в 1 км² земной поверхности в месте расположения здания; значения n при разной интенсивности грозовой деятельности приведены в табл. 19.1

Таблица 19.1

Интенсивность грозовой деятельности, ч в год	Среднегодовое число ударов молнии в 1 км2 земли	Интенсивность грозовой деятельности, ч в год	Среднегодовое число ударов молнии в 1 км2 земли
10 – 20		60 – 80
20 – 40		80 и более
40 - 60

Для зданий и сооружений сложной конфигурации при расчете N S и L рассматривают как ширину и длину наименьшего прямоугольника, в который может быть вписано здание в плане.

Здания и сооружения, отнесенные по уровню молниезащиты к I и II категориям, должны быть защищены от прямых ударов молнии, электрической и электромагнитной индукции и от заноса высоких

потенциалов через наземные и подземные металлические коммуникации.

Здания и сооружения, отнесенные по уровню молниезащиты к III категории, должны быть защищены от прямых ударов молнии и от

заноса высоких потенциалов через наземные металлические коммуни­кации, а в отдельных случаях также и от электростатической индукции.

Для зданий и сооружений, совмещающих в себе помещения, требую­щие устройства молниезащиты I, II или I и III категорий, рекомендуется молниезащиту всего здания или сооружения выполнять в соответствии с требованиями для I категории.

Молниезащита от прямых ударов молнии в наземные объекты осу­ществляется с помощью, специальных молниеотводами. Это устройство вызывает на себя удар молнии и отводит ток молнии в землю.Молниеотвод состоит из несущей части (опоры, обычно башенного типа), молниеприемника, токоотвода и заземлителя (рис. 19.8). Наиболее распространенные типы молниеприемников: стержневые и тросовые (рис. 19.9).

Рис. 19.8. Отдельно стоящий стерж­невой молниеотвод:

1 — защищаемый объект; 2 — металлические коммуникации

Рис. 19.9. Отдельно стоящий тросовый молние­отвод:

1 — защищаемый объект; 2 — металлические коммуникации

Тип заземлителя выбирают исходя из удельного сопротивления грунта и требуемой величины импульсного сопротивления. Для заземлителей защиты от прямых ударов молнии заданная величина импульс­ного сопротивления R_и связана с предельно допустимым сопротивлением R растеканию тока промышленной частоты R_и = α R, где а — коэффи­циент импульса, зависящий от величины тока молнии, удельного сопро­тивления грунта и конструкции заземлителя. Целесообразно применять заземлители, для которых α≤1. Ниже приведены предельные длины I_пр горизонтальных заземлителей, гарантирующих α≤1 при разных удель­ных сопротивлениях грунта ρ.

ρ, Ом-м До 500 500 1000 2000 4000

I_пр , м 25 35 50 80 100

Значения коэффициента импульса а при разных удельных сопротив­лениях грунта р приведены в таблице, где цифры числителя дроби отно­сятся к комбинированным заземлителям, а знаменателя — к вертикаль­ным.

ρ, Ом-м До 100 100 500 1000 2000

α 0,9 0,7 0,5 0,3 ---

—— —— —— —— ——

0,9 0,9 0,7 0,5 0,35

Типовые конструкции заземлителей и значения их сопротивлений растеканию тока промышленной частоты R, Ом, приведены в СH 305-77.

Наименьшие допустимые расстояния от токоотвода отдельно стоя­щего стержневого молниеотвода или молниеотвода, изолированного от сооружения (рис. 19.10), до защищаемого сооружения выбирают в зависимости от сопротивления заземления R _и по кривым (рис. 19.11),: причем наименьшее расстояние по воздуху $„ выбирают по длине участка токоотвода 1 (от точки А на рис. 19.8), а длину диэлектрической стойки S_д определяют по полной длине токоотвода 1’.

Рис. 19.11. Наименьшие допустимые рас­стояния от стержневого молниеотвода до защищаемого сооружения

Наименьшие допустимые расстояния S_{в 1} и S_{в 2} (см. рис. 19.9) от тро­сового молниеотвода до защищаемого сооружения определяют по кривым на рис. 19.12.

Каждый молниеотвод имеет определенную зону защиты — часть

пространства, в пределах которого с достаточной степенью надежности

обеспечивается защита зданий от прямых ударов молнии. Для этого здания и сооружения должны вписываться в расчетные зоны защиты соответствующих молниеотводов, определяемые графоаналитическим

методом.

Наименьшей и постоянной по величине степенью надежности обла­дает поверхность зоны защиты; по мере продвижения внутрь зоны надежность защиты увеличивается. Зона защиты типа А обладает сте­пенью надежности 99,5% и выше, а зона защиты типа Б — 95% и выше.

Одиночным стержневым называют один вертикальный молние­отвод, устанавливаемый на защищаемом сооружении или вблизи него (рис. 19.8 и рис. 19.10).

Рис. 19.12. Наименьшие допу­стимые расстояния от троса в середине пролета до защищае­мого сооружения

Рис. 19.13. Зона защиты оди­ночного стержневого мол­ниеотвода высотой до 150м:

1— граница зоны защиты на уров­не земли; 2 — граница зоны за­шиты на уровне h_x

Зона защиты одиночного молниеотвода высотой h≤150 м представ­ляет собой круговой конус (рис. 19.13). Методика расчета сводится к вычислению требуемой высоты молниеприемника и, обеспечивающего требуемую зону защиты объекта. Для этого по чертежам плана объекта устанавливают требуемый радиус защиты r_х на расчетной высоте защищаемого объекта с учетом требований максимально допустимого при­ближения к нему молниеотвода. Очевидно, объект должен полностью вписываться в границы зоны защиты на высоте h_x, определенной конст­руктивными соображениями.

Вершина конуса находится на высоте h₀< h. На уровне земли зона защиты образует круг радиусом r₀. Горизонтальное сечение зоны защи­ты на высоте защищаемого сооружения h_x представляет собой круг радиусом r_х.

Зоны защиты одиночных стержневых молниеотводов имеют следую­щие габариты:

Зона А

h₀ = 0,85 h; r₀ = (1,1— 0,002 h) h;

r_x = (1,1 — 0,002 h) (h — h_х /0,85).

Зона Б

h₀ = 0,92 h; r₀ = 1,5 h;

r_x = 1,5 (h — h_х /0,92).

Для зоны Б высота одиночного стержневого молниеотвода при известных величинах h_х и r_x может быть определена по формуле

h = (r_x + 1,63 h_х) / 1,5.

Двойным стержневым молниеотводом называют два одиночных стержневых молниеотвода, совместно действующих и образующих общую зону защиты. Его опоры могут быть установлены на защищае­мом сооружении или вблизи него.

Рис. 19.14. Зона защиты двойного стержневого молниеотвода высотой до 150 м:

1 — на уровне земли; 2 — на уровне h_{х 1}; 3 — на уровне h_{х 2}