2.13. Молниезащита
Возможность поражения объекта молнией в значительной степени определяется интенсивностью грозовой деятельности в той местности, где он расположен, и зависит от размеров и конфигурации объекта, расположения, а также от геологии земли. Различают два вида воздействия молнии: первичное, связанное с прямым ударом, и вторичное, вызываемое электромагнитной и электростатической индукцией. При прямом ударе могут возникать пожары, взрывы, разрушение конструкций, поражения людей, перенапряжение на проводах электрической сети. Сила тока в канале молнии достигает 200 кА, напряжение – 150 MB, длина искры молнии составляет сотни и тысячи метров, температура возрастает до 6000–10000 °С.
Линейная молния характеризуется очень большими величинами токов, напряжений и температуры разряда, поэтому воздействие молнии на человека, как правило, завершается очень тяжелыми последствиями, обычно смертью. От удара молнии в мире в среднем ежегодно погибает около 3000 человек, причем известны случаи одновременного поражения нескольких человек. Разряд молнии проходит по пути наименьшего электрического сопротивления. Так как между высоким объектом и грозовым облаком расстояние и электрическое сопротивление меньше, то молния, как правило, ударяет в высокие объекты. Удар молнии в землю или расположенный на ней объект зависит от электропроводности поверхностных и низлежащих слоев грунта. Молния значительно чаще ударяет в глинистые и влажные участки, нежели в сухие и песчаные, т. к. первые обладают большей электропроводностью.
Молния, ударяя в высокие растения, чаще поражает лиственные деревья – дуб, тополь, вербу, ясень, так как они содержат много крахмала. Липа, грецкий орех, бук, хвойные деревья – ель, пихта, лиственница – содержат много масел, поэтому оказывают большое электрическое сопротивление и поражаются молнией реже. Частота ударов молнии в дерево зависит от его поверхности, качества кроны, коры, их влажности.
Человек может быть поражен молнией не только при прямом попадании, которое всегда смертельно. Опасно шаговое напряжение, возникающее при растекании в земле тока разряда молнии. Радиус поражающего действия шагового напряжения достигает 30 метров. Опасны также перескоки разрядов молнии и индуцированные заряды. Перескоки разрядов происходят от объектов, в которые попала молния, на объекты расположенные рядом. Заряды наводятся на хорошо проводящие предметы (например, металлические фермы, изгороди и т. д.) под действием электрического поля грозового облака. Таким образом, нахождение человека во время грозы вблизи объектов, часто поражаемых молнией (высоких деревьев, мачт, металлических предметов больших размеров, глинистых и влажных участков земли) представляет опасность.
Нахождение во время грозы в городе менее опасно, чем на открытой местности, так как стальные конструкции и высокие здания выполняют функцию молниеотводов. Молния часто поражает людей, работающих в поле, туристов. Опасно находиться во время грозы на воде или вблизи нее, т. к. вода и участки земли у воды имеют большую электропроводность и часто поражаются молнией.
В тоже время нахождение во время грозы внутри железобетонных зданий, металлических строений (например, металлических гаражей) безопасно для человека. Полностью или частично закрытая электропроводная поверхность образует так называемую камеру Фарадея, внутри которой не может образоваться значительный и опасный для человека потенциал. Поэтому пассажиры внутри автомобиля с цельнометаллическим кузовом, трамвая, троллейбуса, вагона поезда находятся во время грозы в безопасности, пока не будут выходить наружу и открывать окна. Линейная молния довольно часто является причиной возникновения пожаров. Лесные пожары, пожары жилых и производственных строений, особенно в сельской местности, наносят большой материальный ущерб и могут являться причиной гибели людей. В связи с этим необходимо принимать специальные меры защиты от поражения линейной молнией.
Молниезащита представляет собой комплекс защитных мер от разрядов атмосферного статического электричества, обеспечивающих безопасность людей, сохранность зданий и сооружений, оборудования и материалов от загораний, взрывов и разрушений. Для всех зданий и сооружений, не связанных с производством и хранением взрывчатых веществ, для линий электропередач и контактных сетей проектирование и изготовление молниезащиты должно выполняться согласно «Инструкции по устройству молниезащиты зданий и сооружений» СО 153-34.21.122-2003 [291].
По степени защиты зданий и сооружений от воздействия атмосферного электричества молниезащита подразделяется на три категории. Категория молниезащиты определяется назначением зданий и сооружений среднегодовой продолжительностью гроз, а также ожидаемым числом поражений здания или сооружения молнией в год.
Вероятность удара молнии в наземный объект тем больше, чем выше объект. Одна из основных мер защиты от молний – устройства молниеотводов. Возвышаясь над объектами, они принимают разряды грозового облака на себя. Молниеотводы создают зону защиты – пространство, внутри которого не возникают молнии. Молниеотвод состоит из молниеприемника, токоотвода, обеспечивающего прохождение по нему разрядного тока к заземляющему устройству, и самого заземляющего устройства. Различают несколько видов молниеотводов: стержневые, сетчатые, тросовые; одиночные, двойные, многократные; отдельно стоящие; изолированные от объекта и неизолированные. Стержневые и тросовые молниеотводы устанавливают либо на стоящих опорах, либо на опорах, связанных с конструкцией объекта. Сетчатые молниеотводы укладывают на крыше здания.
Защита молниеотводом основана на свойстве молнии поражать самые высокие и хорошо заземленные металлические сооружения. Молниеотвод состоит из трех основных частей: молниеприемника 1, воспринимающего удар молний; токовода 2, соединяющего молниеприемник с заземлителем 3, через который ток молнии стекает в землю. Наиболее распространены стержневые (рис. 10) и тросовые молниеприемники. По количеству молниеотводы бывают одиночные, двойные и многократные.
В окрестности молниеотвода образуется зона защиты, т. е. пространство, в пределах которого с высокой степенью надежности обеспечивается защита строения или какого-либо другого объекта от прямого удара молнии. Степень защиты в указанной зоне составляет более 95 %. Это означает, что из 100 ударов молнии в защищаемый объект возможно менее 5 случаев прямого попадания молнии, остальные удары будут восприняты молниеприемником. Зона защиты одиночного стержневого молниеотвода ограничивается образующими двух конусов, один из которых имеет высоту h, равную высоте молниеотвода, и радиус основания R = 0,75h, а другой – высоту 0,8h и радиус основания – l,5h (при радиусе основания второго конуса R = h обеспечивается 99 % эффективности защиты).
Молниеприемники стержневых молниеотводов изготовляют из стали любого профиля, как правило круглого, сечением не менее 100 мм2 и длиной не менее 200 мм. Для защиты от коррозии их окрашивают. Молниеприемники тросовых молниеотводов изготовляют из металлических тросов диаметром около 7 мм.
Тоководы должны выдерживать нагрев при протекании очень больших токов разряда молнии в течение короткого промежутка времени, поэтому необходимо небольшое сопротивление. Сечение тоководов на воздухе должно быть не менее 48 мм2, а в земле – 160 мм2.
Рис. 10. Стержневой молниеприемник: 1 – молниеприемник, 2 – токовод, 3 – заземление, 4 – мачта.
Если молниеотвод закреплен на крыше здания, то в качестве тоководов можно использовать металлические конструкции и арматуру здания. Так, в качестве токовода можно использовать металлическую лестницу, расположенную с внешней стороны здания и ведущую на крышу. Тоководы надо надежно соединить с молниеприемником и заземлителем.
Заземлители являются важнейшим элементом в системе молниезащиты. Они обеспечивают достаточно малое сопротивление растеканию тока молнии в грунт. В качестве заземлителя можно использовать зарытые в землю на глубину 2–2,5 м металлические трубы, плиты, мотки проволоки и сетки, куски металлической арматуры.
Молниеотводы устанавливают на возвышенностях, чтобы сократить путь молнии и увеличить размеры зоны защиты. Молниеотводами защищаются все общественные здания, постройки для хранения материальных ценностей, одинокие строения, расположенные на возвышенностях, исто-рические и культурные ценности. Особенно важна молниезащита хранилищ пожаровзрывоопасных материалов, горючих жидкостей и газов. Для этого используют многократные молниеприемники путем установки по контуру защищаемого пространства множества молниеотводов.