Молниезащита

Введение

МОЛНИЕЗАЩИТА - комплекс мероприятий и средств, обеспечивающих безопасность людей, сохранность зданий и сооружений, оборудования и материалов от прямых ударив молнии, электромагнитной и электростатической индукции, а также от заноса высоких потенциалов через металлические конструкции и коммуникации.

На земном шаре ежегодно происходит до 16 млн гроз, т. е. около 44 тыс. за день. Прямой удар молнии очень опасен для людей, зданий и сооружений вследствие непосредственного контакта канала молнии с поражаемыми объектами. Убытки только от пожаров и взрывов, вызванных этим явлением, в ряде случаев колоссальные. Прямой удар молнии также может производить сильные механические разрушения, приводя в негодность чаше всего дымовые трубы, мачты, вышки, а иногда и стены зданий. Расчеты показывают, что затраты на осуществление молниезащитных мероприятий приблизительно в 1,5 раза меньше стоимости сгоревших за пять лет зданий и сооружений.

Молниезащита — это обязательная часть любого здания, любого производственного объекта. Без системы молниезащиты здание и соответственно, люди и имущество находящиеся в нем, беззащитны перед ударом стихии.

Молниезащита разделяется на внешнюю и внутреннюю.

Внешняя молниезащита представляет собой систему, обеспечивающую перехват молнии и отвод её в землю, тем самым, защищая здание от повреждения и пожара.

Внутренняя молниезащиты представляет собой комплекс мер и устройств (УЗИП) предназначенных для уравнивания потенциалов: исключает возможность возникновения опасного напряжения в электрических цепях и трубопроводах входящих в здание.

 

В состав внешней молниезащиты входят:

- молниеприемник — устройство, перехватывающее разряд молнии (громоотвод);

- тоководы (спуски) — часть системы молниезащиты, предназначенная для отвода тока молнии от молниеприемника к заземлителю;

- заземлитель — металлический проводник в заглубленный в почву, обеспечивающий растекание тока молнии в землю.

Внутренняя молниезащита состоит из устройств защиты от импульсных перенапряжений (УЗИП) и эффективной системы заземления.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1  Теоретическая часть

Общие понятия  о молниезащите и зонах защиты молниеотводов.

Молния - одно из самых удивительных явлений природы, которое на и  протяжении тысячелетий поражало воображение  людей. Однако научное исследование молнии началось лишь около двух столетий назад, когда д'Алибар во Франции (в 1752 г.) и Франклин в Америке положили начало эре электричества, заложив основы нашего современного «электронного общества». Изучение молнии развивалось от наблюдений и умозрительных рассуждений к теоретическим и экспериментальным работам, основанным на теории электромагнетизма и физике плазмы. По мнению многих исследователей, в настоящее время физика нормальной молнии хорошо понята. При этом, разумеется, остаются открытыми для исследования многочисленные детали.

Молния представляет собой  гигантский электрический искровой разряд между облаками и земной поверхностью, или между облаками, или между  разными частями облака. Форма  молнии обычно похожа на разветвленные  корни разросшегося в поднебесье дерева. Длина линейной молнии составляет несколько километров, но может достигать  20 км и более. Основной канал молнии имеет несколько ответвлений длиной 2-3 км. Диаметр канала молнии составляет от 10 до 45 см. Длительность существования молнии составляет десятые доли секунды. Средняя скорость движения молнии 150 км/с. Сила тока внутри канала молнии доходит до 200 000 А. Температура плазмы в молнии превышает 10 000⁰С. Напряженность электрического поля внутри грозового облака составляет от 100 до 300 В/см, но перед разрядом молнии в отдельных небольших объемах она может доходить до 1600 В/см. Средний заряд грозового облака составляет 30-50 Кл. В каждом разряде молнии переносится от 1 до 10 Кл электричества. Наряду с наиболее распространенной линейной молнией иногда встречаются ракетообразная, четочная и шаровая молнии. На Земле ежесекундно наблюдается в среднем около 100 разрядов линейной молнии. Средняя мощность, которая затрачивается в масштабе всей Земли на образование гроз, равняется 1018 эрг/сек.

Молния — колоссальный электрический разряд, способный нанести повреждения строению, вызвать пожар и привести к поражению электрическим током людей.

Воздействие тока молнии возможно трех типов:

- прямой удар при разряде молнии в объект с сильным тепловым и механическим воздействием;

- вторичное воздействие разряда с появлением магнитного поля, индуцируемого в контурах в виде протяженных металлических устройств – трубопроводах, электропроводки и т. п., которое вызывает искрение, что опасно для помещений где образовываются опасные концентрации взрывоопасных веществ;

- занос высоких потенциалов по любым металлоконструкциям: эстакадам, ЛЭП, трубопроводам, что может явиться причиной взрывов и пожаров.

При прямом разряде молнии в здание или сооружение может  произойти его механическое или  термическое разрушение. Последнее  проявляется в виде плавления  или даже испарения материалов конструкции.

Вторичное воздействие разряда  молнии заключается в наведении  в замкнутых токопроводящих контурах (трубопроводах, электропроводках и  др.), расположенных внутри зданий, электрических  токов. Эти токи могут вызвать  искрение или нагрев металлических  конструкций, что может стать  причиной возникновения пожара или  взрыва в помещениях, где используются горючие или взрывоопасные вещества.

К аналогичным последствиям может привести и занос высоких  потенциалов (напряжения) по любым металлоконструкциям, находящимся внутри зданий и сооружений, под действием молнии.

Для приема электрического разряда молнии (тока молнии) служат устройства - молниеотводы, состоящие из несущей части (например, опоры), молниеприемника (металлический стержень, трос или сетка токоотвода) и заземлителя. Различают стержневые и тросовые молниеотводы. Защитное действие молниеотвода основано на свойстве молнии с большей вероятностью поражать более высокие и хорошо заземленные предметы по сравнению с расположенными рядом объектами меньшей высоты. Поэтому на молниеотвод, возвышающийся над защищаемым объектом, возлагается функция перехвата молний, которые в отсутствие молниеотвода поразили бы объект. Количественно защитное действие молниеотвода определяется через вероятность прорыва - отношение числа ударов молнии в защищенный объект (числа прорывов) к общему числу ударов в молниеотвод и объект.

Молниеотводы характеризуются  зоной защиты, которая определяется как часть пространства, защищенного  от удара молнии с определенной степенью надежности. В зависимости от степени  надежности зоны защиты могут быть двух типов - А и Б. Тип зоны защиты выбирают в зависимости от ожидаемого количества поражений молнией зданий и сооружений в год (N). Если величина N > 1, то принимают зону защиты типа А (степень надежности защиты в этом случае составляет не менее 99,5%). При N< 1 принимают зону защиты типа Б (степень надежности этой защиты  - 45% и выше).

Каждый молниеотвод в зависимости от его конструкции и высоты имеет определенную зону защиты, внутри которой объекты не подвержены прямым ударам молнии. Согласно РД 34.21.122-87 все здания и сооружения должны иметь защиту по одной из трех категорий (приложение А). Категория молниезащиты зависит от пожаро-взрывоопасных свойств помещений и зданий, которая определяется в соответствии с данными таблицы 1, а также от тяжести опасных последствий ударов молнии (экологический ущерб, людские потери, материальные потери и др.).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 Практическая часть

Задание. Произвести расчет молниезащиты здания ж/д вокзала, расположенной в г.Чита. Размеры здания: длина l=80 м, ширина b=40 м., высота h_зд = 15 м. Грунт имеет сопротивление р < 50 Ом-м.

Решение.

1.Определяем категорию молниезащиты заданного объекта по данным раздела таблицы 1.

Таблица 1 - Типы зон и категории устройств молниезащиты зданий и

сооружений

Наружные технологические  установки и открытые склады, относимые  по ПЭУ к классу В-Iг

По всей территории РФ

Зона Б

II

 

Категория молниезащиты II, зона защиты Б.

2. Определяем конструкцию  молниеотвода в зависимости от  параметров защищаемого объекта.  Анализ типов молниеотводов показывает, что в нашем случае подходит  тросовый молниеотвод.

3. Определяем высоту молниеприемника для создания необходимой зоны защиты. Ориентировочно, в первом приближении высоту молниеприемника можно определить по формуле приведенной в таблице 2.

 

 

 

 

Таблица 2 - Зоны защиты молниеотводов

Одиночный тросовый молниеотвод высотой h ≤ 150 м с опорами, отстоящими одна от другой на расстоянии а, м
Высота зоны защиты h0 над землей , м	h0 = 0,85 h	h0 = 0,92 h
Радиус торцевых областей зоны защиты r0 на уровне земли, м	r0 = (1,35-0,0025h)h	r0 = 1,7h
Ширина зоны защиты на участке  между опорами S0  на уровне земли, м	S0 = 2r0	S0 = 2r0
Радиус торцевых областей зоны защиты rх на высоте hx над землей, м	rх = (1,35-0,0025h)(h-hx/0,85)	rх = 1,7(h-hx/0,92)
Ширина зоны защиты на участке  между опорами Sх  на высоте hx над землей, м	Sх = 2rх	Sх = 2rх

 

hор = h = (rx  + 1,8hх)/1,7

Зададимся: hх = 13 м;rх = b/2 = 40/2 = 20м, тогда получим: hор = (20 + 1,8•13)/1,7 = 26м

Т.к. высота молниеотвода h ≤ 150 м, то определяем параметры зоны защиты по формулам таблицы 2. В результате будем иметь:

Высота зоны защиты: h₀ = 0,92•h =0,92*26= 24 м

Радиус торцевых областей зоны защиты r₀ на уровне земли: r₀ = 1,7h =1,7*26=44м

Ширина зоны защиты на участке  между опорами: S₀ = 2r₀ = 88 м

Радиус торцевых областей зоны защиты rх на высоте hх над землей:

rх = 1,7(h-h_x/0,92) =1,7*11,48=20 м

Ширина зоны защиты на участке  между опорами Sх  на высоте hx над землей:

Sх=2rх=2*20=40м

4. Определяем наименьшее  допустимое расстояние от заземлителя до других подземных коммуникаций, используя таблицы 3, 4.

Таблица 3 - Наименьшие допустимые расстояния Sв

Sв, м	ρ, Ом м	Вариант конструкции заземлителя.
3	≤100	1. Заземлитель любой конструкции. 2.Одна железобетонная  свая либо подножка или углубленная  стойка железобетонной опоры,  длина которой составляет не  менее 5 метров.

 

Таблица 4 - Наименьшие допустимые расстояния Sв₁

Sв1, м	ρ, Ом м	Вариант конструкции заземлителя
3,5	≤100	Заземлитель любой конструкции

 

Sз доп = Sв доп + 2  = 5  м

                                               Sв доп = 3 м

                                               Sв1 доп = 3,5 м

При монтаже молниеотводов  необходимо, чтобы реальные расстояния были больше рассчитанных допустимых значений.

 

5. Проверяем выполнение неравенства

Sв1 доп › Sв1 р

Для этого необходимо рассчитать реальное расстояние между тросовым молниеприемником и крышей здания c учетом провеса троса. Используем данные, приведенные в таблице 2. Расстояние h от стального троса сечением 35-50 мм² до поверхности земли в точке его наибольшего провеса равно:

h = hор – 2 (при а < 120 м), т.е. h = 26– 2 = 24м

В этом случае расстояние между тросом молниеприемника и крышей равно:

Sв1 р = h – hзд =24 – 15= 9 м

Таким образом, Sв1 р › Sв1 доп, т.е. неравенство выполняется.

6. Определяем норму сопротивления  молниезащиты в зависимости от требуемой категории защиты и сопротивления грунта: Rн = 10 Ом.

7.Определяем сопротивление молниезащиты Rз в зависимости от выбранной конструкции и сопротивления грунта, используя данные таблицы    5.

Таблица 5 - Типовые конструкции заземлителей молниезащиты и их сопротивления растекания тока промышленной частоты

Комбинированный  двухстержневой

Уголок: 40x40x4 мм Полоса: 4x40 мм С=6 м, L=3 м Круглая сталь d=10÷20 Полоса: 4x40 мм С=3 м, L=5 м

4,5       5,5

9,1       11

45       55

90       110