7.7. Молниезащита

Физические процессы, происходящие в атмосфере, приводят к образованию электрических зарядов, потенциал которых может достигать 10⁹ В. При повышении напряженности электрического поля до критических значений возникает разряд, сопровождающийся ярким свечением (молния) и звуком (гром). Сила тока в канале молнии достигает 2 10⁵ А. время существования молнии 0,1 – 1 с, температура канала молнии составляет 6 – 10 тысяч °С и более.

Различают первичные проявления молнии (прямой удар) и вторичные проявления в виде электростатической и электромагнитной индукции. Разряды атмосферного электричества могут явиться причиной взрывов, пожаров, поражения людей. Около 7% пожаров возникает от разрядов молнии, риск смерти человека от поражения молнией R = 5 10⁷ в год.

Прямой удар молнии может вызвать пожар, взрыв и произвести разрушение сооружений.

Прямой удар молнии вызывает следующие воздействия на объект:

• электрические, связанные с поражением людей электрическим током и появлением перенапряжений на пораженных элементах;

• термические, связанные с резким выделением теплоты при прямом контакте канала молнии с содержимым объекта и при протекании через объект тока молнии;

• механические, обусловленные ударной волной, распространяющейся от канала молнии, и электродинамическими силами, действующими на проводники с токами молнии.

Вторичное проявление заключается в том, что во время разряда молнии на изолированных от земли металлических предметах возникают токи высоких напряжений. Возможен перенос высоких потенциалов по проводам, через наземные или подземные металлические коммуникации, при этом в местах разрыва электрической цепи может возникнуть искрение, достаточное для воспламенения горючей среды.

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 и механическим воздействием молнии. Физическая сущность молниезащиты заключается в направлении потока электричества по специальному проводнику (молниеотводу) от защищаемого объекта в землю для дальнейшего растекания тока. Молниеотвод состоит из опоры, молниеприемника, токоотвода и заземлителя.

Молниеприемник непосредственно воспринимает прямой удар молнии. Конструктивно молниеотводы разделяются на стержневые с вертикальным расположением молниеприемника; тросовые с горизонтальным расположением молниеприемника, закрепленного на двух заземленных опорах; сетки – многократные горизонтальные молниеприемники, пересекающиеся под прямым утлом и укладываемые на защищаемое здание.

Опоры стержневых молниеотводов должны быть рассчитаны на механическую прочность как свободностоящие конструкции, а опоры тросовых молниеотводов – с учетом натяжения троса и действия на него ветровой и гололедной нагрузок. Опоры отдельно стоящих молниеотводов могут выполняться из стали любой марки, железобетона или дерева.

Стержневые молниеприемники должны быть изготовлены из стали любой марки сечением не менее 100 мм² и длиной не менее 200 мм и защищены от коррозии оцинкованием, лужением или окраской. Тросовые молниеприемники должны быть выполнены из стальных многопроволочных канатов сечением не менее 35 мм².

Токоотвод соединяет молниеприемник с заземлителем и предназначен для пропускания тока молнии. Токоотводы следует выполнять из стали размерами не менее указанных в таблице 1.7.

Соединения молниеприемников с токоотводами и токоотводов с заземлителями должны выполняться сваркой, а при недопустимости огневых работ разрешается выполнение болтовых соединений с переходным сопротивлением не более 0,05 Ом при обязательном ежегодном контроле. При установке молниеотводов на защищаемом объекте и невозможности использования в качестве токоотводов металлических конструкций здания токоотводы должны быть проложены к заземлителям по наружным стекам здания кратчайшими путями.

Таблица 1.7. Минимальные сечения токоотводов и заземлителей

Форма токоотвода и заземлителя	Сечение (диаметр) токоотвода и заземли теля, проложенных:
	Снаружи здания на воздухе	В земле
Круглые токоотводы и перемычки диаметром, мм	6	-
Круглые вертикальные электроды диаметром, мм	-	10
Круглые горизонтальные1 электроды диаметром, мм	-	10
Прямоугольные электроды: сечением, мм2 толщиной, мм	48 4	160 4

Примечание:

¹ Только для выравнивания потенциалов внутри зданий и для прокладки наружных контуров на дне котлована по периметру здания

Заземлителем молниезащиты является один или несколько заглубленных в землю проводников, предназначенных для отвода в землю токов молнии или ограничения перенапряжений, возникающих на металлических корпусах, оборудовании, коммуникациях при близких разрядах молнии. Естественными заземлителями считаются заглубленные в землю металлические и железобетонные конструкции зданий и сооружений, а искусственными – специально проложенные в земле контуры из полосовой или круглой стали; сосредоточенные конструкции, состоящие из вертикальных и горизонтальных проводников. Минимально допустимые сечения (диаметры) электродов искусственных заземлителей приведены в таблице 1.7.

Железобетонные фундаменты зданий, сооружений, наружных установок, опор молниеотводов следует использовать в качестве заземлителей молниезащиты при условии обеспечения непрерывной электрической связи по их арматуре и присоединения ее к закладным деталям с помощью сварки.

Для отдельно стоящих молниеотводов приемлемыми являются следующие конструкции заземлителей (табл. 1.8):

- один (и более) железобетонный подножник длиной не менее 2 м или одна (и более) железобетонная свая длиной не менее 5 м;

- одна (и более) заглубленная в землю не менее чем на 5 м стоика железобетонной опоры диаметром не менее 0,25 м;

• железобетонный фундамент произвольной формы с площадью поверхности контакта с землей не менее 10 м²;

Таблица 1.8. Приемлемые конструкции заземлителей

Заземлитель	Эскиз	Размеры, м
1	2	3
Железобетонный подножник		a > 1,8 b > 0.4 l > 2.2
Железобетонная свая		d = 0,25 ∙ 0,4 l < 5
Стальной двух-стержневой: полоса размером 40 × 4 мм, стержни диаметром d = 10 ∙ 20 мм		t = 0,5 l = 3 + 5 c = 3 + 5
Стальной трех-стержневой: полоса размером 40 × 4 мм, стержни диаметром d = 10 ∙ 20 мм		t > 0,5 l = 3 + 5 c = 5 + 6

• искусственный заземлитель, состоящий из трех и более вертикальных электродов длиной не менее 3 м, объединенных горизонтальным электродом, при расстоянии между вертикальными электродами не менее 5 м.

Категория молниезащиты и тип зоны защиты зависят от назначения здания и сооружения, интенсивности грозовой деятельности в районе. ожидаемого количества поражений молнией в год.

К I категории отнесены производственные помещения, в которых в нормальных технологических режимах могут находиться и образовываться взрывоопасные концентрации газов, паров, пылей, волокон. Любое поражение молнией, вызывая взрыв, создает повышенную опасность разрушений и жертв не только для данного объекта, но и для близрасположенных.

Во II категорию попадают производственные здания и сооружения, в которых появление взрывоопасной концентрации происходит в результате нарушения нормального технологического режима, а также наружные установки, содержащие взрывоопасные жидкости и газы. Для этих объектов удар молнии создает опасность взрыва только при совпадении с технологической аварией или срабатыванием дыхательных или аварийных клапанов на наружных установках.

К III категории отнесены объекты, последствия поражения которых связаны с меньшим материальным ущербом, чем при взрывоопасной среде. Сюда входят здания и сооружения с пожароопасными помещениями или строительными конструкциями низкой огнестойкости, причем для них требования к молниезащите ужесточаются с увеличением вероятности поражения объекта (ожидаемого количества поражений молнией). Кроме того, к III категории отнесены объекты, поражение которых представляет опасность электрического воздействия на людей и животных: большие общественные здания, животноводческие строения, высокие сооружения типа труб, башен, монументов. Также к III категории отнесены мелкие строения в сельской местности, где чаще всего используются сгораемые конструкции. Согласно статистическим данным на эти объекты приходится значительная доля пожаров, вызванных грозой.

Здания и сооружения, отнесенные по устройству молниезащиты к I и II категориям, должны быть защищены от прямых ударов молнии, вторичных ее проявлений и заноса высокого потенциала через наземные (надземные) и подземные металлические коммуникации. Здания и сооружения, отнесенные по устройству молниезащиты к III категории, должны быть защищены от прямых ударов молнии и заноса высокого потенциала через наземные (надземные) металлические коммуникации. Внутри зданий большой площади (шириной более 100 м) необходимо выполнять мероприятия по выравниванию потенциалов.

Наружные установки, отнесенные по устройству молниезащиты ко II категории, должны быть защищены от прямых ударов и вторичных проявлений молнии. Наружные установки, отнесенные по устройству молниезащиты к III категории, должны быть защищены от прямых ударов молнии.

Молниеотводы разделяются на отдельно стоящие, обеспечивающие растекание тока молнии минуя объект, и установленные на самом объекте. При этом растекание тока происходит по контролируемым путям так, что обеспечивается низкая вероятность поражения людей (животных), взрыва или пожара.

Установка отдельно стоящих молниеотводов исключает возможность термического воздействия на объект при поражении молниеотвода; для объектов с постоянной взрывоопасностью, отнесенных к 1 категории, принят этот способ защиты, обеспечивающий минимальное количество опасных воздействий при грозе. Для объектов II и Ш категорий, характеризующихся меньшим риском взрыва или пожара, в равной мере допустимо использование отдельно стоящих молниеотводов и установленных на защищаемом объекте.

Стержневые и тросовые молниеотводы могут быть как отдельно стоящие, ток и установленные на объекте; молниеприемные сетки укладываются на неметаллическую кровлю защищаемых зданий и сооружений. Однако укладка сеток рациональна лишь на зданиях с горизонтальными крышами, где равновероятно поражение молнией любого их участка. При больших уклонах крыши наиболее вероятны удары молнии вблизи ее конька, и в этих случаях укладка сетки по всей поверхности кровли приведет к неоправданным затратам металла; более экономична установка стержневых или тросовых молниеприемников, в зону защиты которых входит весь объект.

При выборе средств защиты от прямых ударов молнии, типов молниеотводов необходимо учитывать экономические соображения, технологические и конструктивные особенности объектов. Во всех возможных случаях близрасиоложенные высокие сооружения необходимо использовать как отдельно стоящие молниеотводы, а конструктивные элементы зданий и сооружений, например, металлическую кровлю, фермы, металлические и железобетонные фундаменты и колонны, как молниеприемиики, токоотводы и заземлители. Защита от термических воздействий прямого удара молнии осуществляется путем надлежащего выбора сечений молниеприемников и токоотводов, толщины корпусов наружных установок, расплавление которых не может произойти при указанных выше параметрах тока молнии и температуры в канале.

Защита от механических разрушений различных строительных конструкций при прямых ударах молнии осуществляется: бетона - армированием и обеспечением надежных контактов в местах соединения с арматурой; неметаллических выступающих частей и покрытий зданий -применением материалов, не содержащих влаги или газогенерирующих веществ.

Защита от перекрытий на защищаемый объект при поражении отдельно стоящих молниеотводов достигается надлежащим выбором конструкций заземлителей и изоляционных расстояний между молниеотводом и объектом. Защита от перекрытий внутри здания при протекании по нему тока молнии обеспечивается надлежащим выбором количества токоотводов, проложенных к заземлителям кратчайшими путями.

Защита от напряжений прикосновения и шага обеспечивается путем прокладки токоотводов в малодоступных для людей местах и равномерного размещения заземлит елей по территории объекта.

Защита от вторичных воздействий молнии обеспечивается следующими мероприятиями. От электростатической индукции и заноса высокого потенциала – ограничением перенапряжений, наведенных на оборудовании, металлических конструкциях и вводимых коммуникациях, путем их присоединения к заземлителям определенных конструкций; от электромагнитной индукции – ограничением площади незамкнутых контуров внутри зданий путем наложения перемычек в местах сближения металлических коммуникаций. Для исключения искрения в местах соединений протяженных металлических коммуникаций обеспечиваются низкие переходные сопротивления – не более 0,03 Ом, например, во фланцевых соединениях трубопроводов этому требованию соответствует затяжка шести болтов на каждый фланец.

Защитное действие молниеотвода основано на свойстве молнии с большой 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 отсутствии 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.

Обычно зону защиты обозначают по максимальной вероятности прорыва, соответствующей ее внешней границе, хотя в глубине зоны вероятность прорыва существенно уменьшается.

В терминах теории надежности вероятность прорыва – это параметр, характеризующий отказ молниеотвода как защитного устройства. Зоной защиты молниеотвода является часть пространства, внутри которого здание или сооружение защищено от прямых ударов молнии с определенной степенью надежности. При таком подходе двум принятым зонам защиты (А и Б) соответствует степень надежности 0,99 и 0,9. Эта оценка надежности справедлива при расположении объекта вблизи границы зоны защиты, например, объекта в виде кольца, соосного со стержневым молниеотводом. У реальных же объектов (обычных зданий) на границе зоны защиты, как правило, расположены лишь верхние элементы, а большая часть объекта помещается в глубине зоны. Оценка надежности зоны защиты по ее внешней границе приводит к чрезмерно заниженным значениям. Поэтому, чтобы учесть существующее на практике взаимное расположение молниеотводов и объектов, зонам защиты А и Б приписана в РД 34.21.122 – 87 [216] ориентировочная степень надежности 0,995 и 0,95 соответственно.

Зона защиты одиночного стержневого молниеотвода высотой h < 150 м показана на рис. 5.10 и представляет собой круговой конус, вершина которого находится на высоте h₀ < h. На уровне земли зона защиты образует круг радиусом г₀. Горизонтальное сечение зоны защиты на высоте защищаемого сооружения h_x представляет собой круг радиусом r_х. Зона защиты такого молниеотвода имеет следующие размеры:

Зона А

h₀ = 0,85h; r₀ = (1,1 – 0,002h) h:

r_х = (Ц - 0,002h) ∙ (h – ); (1.9)

Зона Б

h₀ = 0, 92h; r₀ = l_, 5h;

r_x = 1, 5 ∙ (h – ); (1.10)

Для зоны Б при известных величинах h_x и r_x высота одиночного стержневого молниеотвода может быть определена по выражению:

h = r_x + 1, 63 ∙ , (1.11)

Зона защиты одиночного тросового молниеотвода высотой h < 150 м приведена на рис.5.11. С учетом стрелы провеса при известной высоте опор h_оп высота стального троса сечением 35 – 50 мм² при длине пролета а < 120 м равна h = h_оп – 2 м, а при а = 120 – 150 м – h = h_оп – 3 м

Рис. 1.10. Зоны защиты одиночного стержневого молниеотвода: h – высота молниеотвода; h_о – высота зоны защиты над землей;r₀ – радиус зоны защиты на уровне земли:r_x – радиус зоны защиты на высоте h_x над землей

Зоны защиты таких молниеотводов имеют следующие размеры:

Зона А:

h₀ = 0,85h; r₀ = (1, 35 - 0,0025h) h;

r_x = (1, 35 – 0,0025h) - (h – ), (1.12)

Зона Б:

h₀ = 0, 92h; r_x = 1, 7h; r_x = 1, 7 (h – ) (1.1З)

Для зоны Б высота одиночного тросового молниеотвода при известных h_x и r_x определяется из выражения:

h = r_x + , (5.14)

Рис. 1.11. Зона защиты одиночного тросового молниеотвода: h_оп - высота споры; h_o - высота зоны защиты над землей; h - высота троса над землей в точке максимального провала; r_х - радиус зоны защиты на высоте h_x;r_o - радиус зоны защиты на уровне земли; а - расстояние между опорами

Среднегодовая продолжительность гроз в часах в произвольном пункте на территории страны определяется по специальной карте или по средним многолетним (порядка 10 лет) данным метеостанции, ближайшей от места нахождения здания или сооружения. Подсчет ожидаемого количества поражений молнией в год производится в зависимости от наибольшей высоты здания или сооружения, его длины и ширины, среднегодового числа ударов молнии в 1 км^: земной поверхности (удельная плотность ударов молнии в землю) в месте нахождения здания или сооружения. Для зданий и сооружений сложной конфигурации в качестве длины и ширины рассматриваются длина и ширина наименьшего прямоугольника, в который может быть вписано здание или сооружение в плане. Для произвольного пункта на территории страны удельная плотность ударов молнии в землю определяется исходя из среднегодовой продолжительности гроз в часах.

Существуют отдельно стоящие молниеотводы, опоры которых установлены на земле на некотором удалении от защищаемого объекта; одиночные молниеотводы – единичная конструкция стержневого или тросового молниеотвода; двойные (многократные) молниеотводы – два (или более) стержневых или тросовых молниеотвода, образующих общую зону защиты.

Рис. 1.12. Молниезащита здания I категории отдельно стоящим двойным стержневым молниеотводом (р = 300 Ом м, S_в < 4 м, S₃ < 6 м); 1 - граница зоны защиты; 2 – заземлители-подножннки фундамента; 3 - зона защиты на отметке 8,0 м

На рисунке 1.12 представлена молниезащита здания I категории отдельно стоящим двойным стержневым молниеотводом при удельном сопротивлении грунта ρ = 300 Ом м, наименьшем допустимым расстоянием по воздуху от защищаемого объекта до опоры (токоотвода) S₃ < 6 м, наименьшем допустимом расстояний в земле между заземлителями защиты от прямых ударов молнии и коммуникациями, вводимыми в здания и сооружения S₃ < 6 м.

Проверка состояния устройств молниезащиты должна производиться для зданий и сооружений I и II категорий 1 раз в год перед началом грозового сезона, для зданий и сооружений III категории – не реже 1 раза в 3 года, Проверке подлежат целость и защищенность от коррозии доступных обзору частей молниеприемников, токоотводов и контактов между ними, а также значение сопротивления току промышленной частоты заземлителей отдельно стоящих молниеотводов. Это значение не должно превышать соответствующих замеров на стадии приемки более чем в 5 раз.