Молниезащита

Удар молнии в землю – электрический разряд атмосферного происхождения между грозовым облаком и землей, состоящий из одного или нескольких импульсов тока. Наи-более опасен прямой удар молнии, при котором ее канал проходит через здание, сооруже-ние и т. п. Максимальное значение силы тока молнии достигает 200 кА, напряжения 150 МВ, температура канала достигает 30 000°С, а время действия около 100 мкс. При прямом уда-ре в результате высокой температуры в канале молнии происходит мгновенный нагрев конструкций здания и воздуха. Последний, расширяясь, образует ударную воздушную волну, разрушающую здания и сооружения. Также опасен занос высокого потенциала в здание не только по его металлическим конструкциям, но и при расположении коммуни-каций в непосредственной близости от молниеотвода. При соблюдении безопасных рас-стояний между молниеотводами и коммуникациями энергия возможных искровых разря-дов достигает значений 100 Дж и более, то есть достаточна для воспламенения всех горю-чих веществ. От прямого удара молнии воспламеняются все горючие среды.

Помимо прямого удара опасность представляет вторичное воздействие молнии заклю-чающееся в искровых разрядах, возникающих в результате индукционного и электромаг-нитного воздействия атмосферного электричества на производственное оборудование, трубопроводы и строительные конструкции. Энергия искрового разряда превышает 250 мДж и достаточна для воспламенения горючих веществ с минимальной энергией зажига-ния до 0,25 Дж. Удары молнии могут быть особо опасны для информационных систем, сис-тем управления, контроля и электроснабжения. Для электронных устройств, установлен-ных в объектах различного назначения, требуется специальная защита. Молния во всех случаях опасна высокими потенциалами, которые вызывают поражение людей прямым ударом, а также напряжением прикосновения и шага.

Молниезащита система защитных устройств, предназначенных для защиты зданий и сооружений от воздействия молнии. Система состоит из внешних (снаружи здания или со-оружения) и внутренних (внутри здания или сооружения) устройств. В частных случаях молниезащита может состоять из только внешних или только внутренних устройств. Уст-ройства защиты от прямых ударов молнии (молниеотводы) – комплекс, состоящий из мол-ниеприемников, токоотводов и заземлителей. Молниеотвод создает определенную зону защиты – часть пространства, в пределах которого обеспечивается защита зданий и соору-жений. Молниеприемник – часть молниеотвода, предназначенная для перехвата молнии. Токоотвод – часть молниеотвода, предназначенная для отвода тока молнии от молниепри-емника к заземлитетелю.

Защищаемые объекты могут подразделяться на обычные и специальные. Обычные объекты – жилые и административные строения, а также здания и сооружения, высотой не более 60 м, предназначенные для торговли, промышленного производства, сельского хо-зяйства. Специальные объекты – объекты, поражение молнией которых может привести к биологическим, химическим, радиоактивным выбросам, представляющие опасность для непосредственного окружения (такие объекты можно отнести к взрывопожароопасным), строения высотой более 60 м, временные сооружения и строящиеся объекты. При строи-тельстве и реконструкции для каждого класса объектов требуется определить необходи-мые уровни надежности от прямых ударов молнии (ПУМ). Для обычных объектов пред-ложено четыре уровня защиты с I÷IV, обеспечивающие надежность от ПУМ Р_З = 0,98; 0,95; 0,90; 0,80, соответственно. Для специальных объектов в зависимости от степени его общественной значимости и тяжести ожидаемых последствий от ПУМ установлен мини-мально допустимый уровень надежности защиты Р_З = 0,9÷0,999.

Способ защиты от молний выбирают в зависимости от назначения здания или соору-жения, принятых значений параметров тока молнии и плотности ударов молнии в землю в данном районе. Расчет и устройство молниезащиты производится в соответствии с Инст-рукцией по устройству молниезащиты зданий, сооружений и промышленных коммуника-ций (далее – Инструкцией) [9]. Плотность ударов молнии в землю, выраженная через чис-ло поражений 1 км² земной поверхности в год, определяется по данным метеорологичес-ких наблюдений в месте размещения объекта. Если плотность ударов молнии в землю N_g, 1/км²год, неизвестна, ее определяют по следующей формуле

N_g = 6,7 T_d / 100, (19)

где T_d – среднегодовая продолжительность гроз в часах, определяемая по региональным

картам интенсивности грозовой деятельности.

Комплекс средств молниезащиты зданий и сооружений состоит из устройства защиты от прямых ударов молнии (внешняя молниезащитная система) и устройства защиты от вторичных воздействий молнии (внутренняя молниезащитная система). В частных случа-ях молниезащита может содержать только внешние или только внутренние устройства. В общем случае часть тока молнии протекает по элементам внутренней молниезащиты. Вне-шняя молниезащитная система может быть изолирована от сооружения (отдельно стоя-щие молниеотводы, а также соседние сооружения, выполняющие функции естественных молниеотводов), или быть установлена на защищаемом сооружении и даже быть его ча-стью. Молниеприемники могут состоять из произвольной комбинации следующих эле-ментов: стержней, натянутых проводов (тросов), сетчатых приемников (сеток). Внутрен-ние устройства молниезащиты предназначены для ограничения электромагнитных воздей-ствий тока молнии и предотвращения искрения внутри защищаемого объекта. Ток мол-нии, попадающий в молниеприемник, отводится в заземлитель через систему токоотводов и растекается в земле.

Материал и минимальные сечения элементов внешней молниезащитной системы вы-бирается по Инструкции в зависимости от принятого уровня защиты объекта. Общее со-противление заземления принимается не более 10 Ом. Зона молниезащиты в зависимости от типа, количества и взаимного расположения молниеотводов может иметь разнообраз-ные геометрические формы. Выбор типа и высоты молниеотвода определяется требуемой надежностью защиты Р_З. Объект считается защищенным, если совокупность всех его мол-ниеотводов обеспечивает надежность защиты не менее Р_З. Во всех случаях система защи-ты от ПУМ выбирается так, чтобы максимально использовались естественные молниеот-воды, а если обеспечиваемая ими защищенность не достаточна – в комбинации со специи-ально установленными молниеотводами. Если защита объекта обеспечивается простейши-ми молниеотводами (одиночным стержневым или тросовым, двойным стержневым или тросовым, замкнутым тросовым), размеры молниеотводов определяются исходя из задан-ных в Инструкции зон защиты.

Стандартной зоной защиты одиночного молниеотвода высотой h≤150 м является кру-говой конус высотой h₀< h вершина которого совпадает с вертикальной осью молниеот-вода (Рис. 10). Габариты зоны определяются двумя параметрами: высотой конуса h_о и ра-диусом конуса на уровне земли r_{0 .} Горизонтальное сечение зоны защиты на высоте защи-щаемого сооружения h_х представляет собой круг радиусом r_Х:

r_Х = r₀ (h₀ – h_Х) / h_о (20)

Рис. 10. Зона защиты одиночного стержневого молниеотвода

Могут применяться один или несколько тросовых и других молниеотводов, создаю-щих требуемую зону защиты (Рис. 11, 12). Защита больших и протяженных объектов вы-полняется трех- и четырехстержневыми молниеотводами. Требуемую высоту и радиусы защиты различных молниеотводов определяют по Инструкции.

Для защиты от действия электромагнитного поля необходимо все находящиеся на объ-екте металлические предметы, а также вводы в здание всех коммуникаций надежно зазем-

лять. Импульсное сопротивление заземления не должно превышать 1 Ом.

Во многих отраслях производства применяются достаточно сложные и дорогостоящие электрические и электронные системы. Такие системы чувствительны к вторичным воз-действиям молнии и поэтому применяются специальные меры защиты.

Пространство, в котором расположены электрические и электронные системы, разде-ляется на зоны различной степени защиты. В общем случае, чем выше номер зоны, тем

меньшее значение параметров электромагнитных полей, токов и напряжений в простран-стве зоны:

зона О – зона, где каждый объект подвержен прямому удару молнии, и поэтому через него может протекать полный ток молнии, а электромагнитное поле имеет максимальное значение;

зона О_Е – зона, где объекты не подвержены прямому удару молнии, но электромагнит-ное поле не ослабленно и электромагнитное поле имеет максимальное значение;

зона I – зона, где объекты не подвержены прямому удару молнии, и ток во всех прово-дящих элементах внутри зоны меньше, чем в зоне О_Е, поэтому электромагнитное поле мо-жет быть ослаблено экранированием;

прочие зоны – устанавливаются, если требуется дальнейшее уменьшение тока (напря-жения) и/или ослабление электромагнитного поля.

На границах зон осуществляются меры по экранированию и соединению всех пересе-кающих границу металлических элементов и конструкций.

Рис. 11. Зона защиты одиночного тросового молниеотвода высотой до 150 м: Рис. 12. Зона защиты двойного стержневого молниеотвода высотой до 150 м:

1- зона защиты на уровне h_х; 2 – то же на на уровне земли; 1- зона защиты на уровне h_х1; 2 – то же на уровне h_х2;

3 – высота подвески троса 3 – то же на уровне земли

Экранирование является основным способом уменьшения электромагнитных помех. Металлические конструкции строительных сооружений используются или могут быть ис-пользованы в качестве экрана. Подобная экранная структура образуется, например, сталь-ной арматурой стен, полов здания, а также металлическими деталями крыши, фасадов, стальными каркасами, решетками. Для уменьшения влияния электромагнитных полей все металлические элементы объекта электрически объединяются и соединяются с системой молниезащиты.

Если кабели прокладываются между соседними объектами, заземлители последних соединяются для увеличения числа параллельных проводников и уменьшения, благодаря этому, токов в кабелях. Такому требованию хорошо удовлетворяет система заземления в виде сетки. Для уменьшения индуцированных помех используется: внешнее экранирова-ние, рациональная прокладка кабельных линий и экранирование линий питания и связи. Все мероприятия могут быть выполнены одновременно. При наличии внутри защищае-мого пространства экранированных кабелей, их экраны соединяются с системой молние-защиты на обоих концах и на границах зон. Кабели, идущие от одного объекта к другому, необходимо укладывать в металлические трубы, сетчатые короба или железобетонные ко-роба с сетчатой арматурой. Металлические элементы труб, коробов и экраны кабелей сое-диняются с указанными общими шинами объектов. Можно не использовать металличес-кие короба или лотки, если экраны кабелей способны выдержать предполагаемый ток молнии.