4. Улаштування і розрахунок блискавкозахисту будівель і споруд

Блискавка — електричний розряд між хмарами або між хмарою і землею.

У більшості випадків нижня частина грозових хмар заряджається негативно, а на поверхні індукуються позитивні заряди. Так утворюється як би гігантський заряджений конденсатор, однією обкладкою якого служить грозове поле, а інша земля. У міру концентрації зарядів збільшується, напруженість електричного поля цього конденсатора при досягненні величини 300 кВ м створюється умова для виникнення блискавки. Коли напруженість електричного поля у хмарі або між нижньою зарядженою областю і землею досягає пробійного значення, виникає Блискавка. Блискавки поділяються на лінійні, плескаті, кулясті і чоткові. Лінійні блискавки спостерігають часто, а кулясті та чоткові — дуже рідко.

Блискавки — велика загроза для життя людей. Ураження блискавкою можливо як при перебуванні просто неба, так і в закритому приміщенні. Частіше страждають люди що знаходяться під час грози на відкритій місцевості, переховуються від дощу під деревами і поблизу від працюючого електроустаткування (включеного в мережу телевізора, радіоприймача або увімкненого мобільного телефону). Високі дерева — часта мішень для блискавок. На реліктових деревах-довгожителях легко можна знайти численні шрами від блискавок. Вважається, що одиночне дерево, частіше вражається блискавкою, хоча в деяких лісових районах шрами від блискавок можна побачити майже на кожному дереві.

Вплив зарядів блискавки можуть бути двох видів: блискавка вражає будівлю й установки (безпосередньо удар блискавки), блискавка надає вторинний вплив, що пояснюється електростатичною і електромагнітною індукцією. Електростатична індукція проявляється в тому, що на ізольованих металевих предметах наводяться небезпечні електричні потенціали, внаслідок чого можливе іскріння між окремими металевими елементами конструкцій та обладнання. У результаті електромагнітної індукції, зумовленою швидкою зміною значення струму блискавки, в металевих незамкнутих контурах наводяться електрорушійні сили, що призводить до небезпеки розрядів між ними в місцях зближення цих контурів.

Блискавко-захист - це система заходів, спрямованих на нейтралізацію атмосферної електрики.

Згідно з РД 34.21.122-87"Інструкція по пристрою блискавкозахисту будівель і споруд" виділяється три категорії блискавкозахисту (І-III) залежно від призначення та характеристик споруди, її розмірів, місця розташування і очікуваної інтенсивності уражень. Для систем захисту на основі стрижневих або тросових блискавковідводів визначаються також зони захисту типу А і Б, орієнтовні ступені надійності яких становлять 0,995 та 0,95 відповідно. Зона захисту блискавковідводу - це частина простору, усередині якого будівля або споруда захищена від прямих ударів блискавки з певним ступенем надійності.

Основні категорії будівель по влаштуванню блискавкозахисту:

I - всі промислові будівлі, приміщення, віднесені до класу В-1 і В-2 по ПУЕ, приміщення з категорією А незалежно від місця їх розташування;

II - промислові будівлі та споруди з приміщеннями класу В-1а, В-2а по ПУЕ, а також з виробництвами категорій Б в місцях з середньою грозової діяльністю (10 год. на рік);

III - промислові будівлі та споруди з приміщеннями класу П-1, П-2, П-2а, П-3, а також з категорією В, Г, Д.

Тобто перед проектуванням системи блискавко-захисту об'єкт класифікується за однією з категорій.

Категорія блискавко-захисту	Мінімальний пік струму блискавки, кА	Максимальний пік струму блискавки, кА	Вигідність вловлювання, %
І	2,9	200	99
ІІ	5,4	150	97
ІІІ	10,1	100	91
ІV	15,7	100	84

Міжнародні стандарти оперують таким показником, як ефективність системи блискавкозахисту, оскільки він безпосередньо враховує ризики втрат внаслідок небезпечної дії блискавок (наприклад, стандарт ІЕС 61024-1-1). В них виділяють чотири рівні блискавкозахисту (І-IV). Ефективність блискавкозахисту визначається наступним чином:

де - прийнята щорічна кількість ударів у споруду;

А - враховує конструкцію будови;

В - враховує призначення і вміст будови, її цінність, характер використання, можливість паніки, наявність засобів зменшення пошкоджень та ін.;

С - враховує очікувані наслідки пошкоджень, збитків у разі ураження блискавкою;

- очікувана щорічна кількість прямих ударів (розрядів) блискавки;

щільність блискавок (ударів на 1 км2 протягом року);

еквівалентна площа збирання блискавок спорудою ();

- коефіцієнт оточення.

Визначення еквівалентної площі, зокрема для зосереджених споруд (комини, башти і т.п.), виконують згідно з підходом, який є подібним до наведеного. Результати розрахунків за цією формулою потрібно порівнювати із табличними даними, де подається ефективність, яка відповідає кожному рівню захисту. Якщо розрахована за наведеною формулою величина потрібної ефективності виходить від'ємною або дорівнює нулю, блискавкозахист є зайвим. Коли, належить влаштувати систему блискавкозахисту такого класу, щоб її ефективність була не меншою ніж Ес. З таблиць добирається найближчий необхідний рівень захисту, який відповідає умові. Далі, у процесі її проектування залишається виконувати вимоги до обраного рівня системи блискавкозахисту. Методика балансу між припустимим ризиком (життя, майно, екологічні наслідки) та раціональною вартістю влаштування блискавкозахисту є предметом дискусії серед фахівців.

Окрім рівня «І», наприклад, інколи говорять про рівень захисту «A», а в деяких країнах вибір класу захисту певних споруд віддається на розсуд власника. Законодавці та страховий бізнес також не залишаються осторонь цього процесу. Розрахунки ефективності звичайно виконують з використанням спеціальних програм, які дозволяють в інтерактивному режимі змінювати засоби захисту і досягати бажаного результату. Наприклад, одна з таких «0В0 Construct USS» розроблена фахівцями німецької фірми «Betterman GmbH & Со.». Саме за її допомогою провадилося проектування комплексного блискавко-захисту хмарочоса Мінтрансу, що вбрався у нові «шати» поблизу площі Перемоги у Києві. Згідно з розрахунками ця споруда вражатиметься блискавками 2 -4 рази на рік, а система захисту має відповідати вимогам II класу. Обговорюваний підхід часто використовують і для експертизи вже існуючих систем блискавкозахисту споруд, а саме: обстежують споруду і існуючу систему блискавкозахисту; визначають клас захисту споруди; визначають фактичну ефективність існуючої системи блискавкозахисту; роблять висновок щодо відповідності існуючого захисту вимогам нормативних документів чи сформульованим потребам замовника та дають рекомендації щодо його вдосконалення. В міжнародних стандартах існує більш широка градація щодо рівнів захисту і детальніше враховуються характеристики конкретної споруди. В них точніше беруть до уваги параметри блискавок, від яких треба захищати об'єкт.

Найбільш часто виникають лінійні блискавки, тривалість яких становить десяті частки секунди. Такі блискавки найбільш небезпечні при прямому ударі. В основному вони вражають предмети, що мають велику висоту, ніж інші розташовані по близькості, по цьому для захисту від блискавок використовують блискавковідводи. Вони складаються із трьох зв'язаних між собою частин:

Блискавкоприймач — слугує для прийому розряду блискавки й розташовується в зоні можливого контакту з каналом блискавки; в залежності від захищуваного об'єкта, може являти собою металевий штир, мережу із провідного матеріалу або металевий трос, натягнутий над захищуваним об'єктом.

струмовідвідні спуски — провідники, що слугують для відводу заряду від блискавко-приймача до заземлювач; звичайно являє собою провід досить великого перетину

заземлювач — провідник або кілька з'єднаних між собою провідників, що торкаються ґрунту; звичайно являє собою металеву плиту, заглиблену в ґрунт.

Елементи блискавковідводу з'єднуються між собою й закріплюються на несучій конструкції. Оскільки ймовірність влучення у наземний об'єкт блискавкою зростає із збільшенням його висоти, блискавковідвід розташовується на якомога більшій висоті або безпосередньо на об'єкті, що захищається, або як окреме спорудження поруч із об'єктом. Іноді блискавковідвід вбудовується в декоративні елементи будинку або споруди.

Кожен район має інтенсивність грозової діяльності. Це важливий чинник при виборі типу і конструкції громозахисту. Тому очікування кількості поразок блискавок на рік будівель і споруд необхідно знати. Це число знаходиться за формулою:

де S - ширина захищається будівлі,

L - довжина будівлі,

h - найбільша висота будівлі, м,

n - середньорічне число ударів блискавок в 1 земної поверхні в місці розташування будівлі.

Будинки і споруди, віднесені до I та II категорій блискавкозахисту, повинні бути захищені від прямих ударів блискавки, вторинних проявів блискавки і заносу високого потенціалу через наземні, надземні і підземні металеві комунікації; будівлі і споруди, віднесені до III категорії блискавкозахисту, повинні бути захищені від прямих ударів блискавки і занесення високого потенціалу через наземні і підземні металеві комунікації. Для будівель і споруд, що поєднують в собі приміщення різних категорій, рекомендується виконувати блискавкозахист з вищої з цих категорій.

Будівлі і споруди, віднесені по пристрою захист від блискавки до III категорії, повинні бути захищені від прямих ударів блискавки і занесення високого потенціалу через наземні (надземні) металеві комунікації. Зовнішні установки, віднесені по пристрою захист від блискавки до II категорії, повинні бути захищені від прямих ударів і вторинних проявів блискавки.

Зовнішні установки, віднесені по пристрою захист від блискавки до III категорії, повинні бути захищені від прямих ударів блискавки.

Усередині будівель великої площі (шириною більше 100 м) необхідно виконувати заходи щодо вирівнювання потенціалів.

Якщо будівлі або споруда частково вписується в зону захисту природних громовідводів або сусідніх об'єктів, захист від прямих ударів блискавки повинен передбачатися тільки для іншої, незахищеної його частини.

Для розрахунків установки блискавкозахисту потрібно виявити вихідні дані, основними з яких є габарити, що захищається, питомий електричний опір ґрунту, наявність в зоні підземних комунікацій, інженерно-геологічні та метеорологічні умови, а також ряд інших даних, що вводяться в електричні і механічні розрахунки окремих конструктивних елементів блискавко-захисного пристрою.

Як було сказано раніше, сучасна система блискавкозахисту повинна включати в себе три основні складові: зовнішню, внутрішню системи та заземлення. Зовнішню систему проектують під кожен конкретний об'єкт, враховуючи всі виступаючі частини: труби, слухові вікна, антени, металеві водостоки і т. д. Внутрішня система складається з шини вирівнювання потенціалів, що об'єднує всі металоконструкції будівлі, і розрядників, які нейтралізують імпульс перенапруги, що потрапляє в організм по лініях електропередачі або систем комунікацій, захищаючи таким чином всі електроприлади в будинку і всю електропроводку від будь-якого виду імпульсного перенапруження. У заземленні використовують оцинковані матеріали без застосування зварювання, так як чорний метал в землі швидко руйнується.

У сучасній практиці блискавкозахисту використовуються наступні типи блискавко-приймачів: стрижневі, тросові або антенні, сітчасті. Крім того, для комплексного захисту споруд застосовують комбіновані типи (тросостержневі). У зв'язку з простотою виготовлення та невеликими фінансовими витратами найбільше застосування отримали стрежневі блискавкоприймачі. Сітчасті блискавко-приймачі досить високонадійні і широко застосовуються при захисті споруд III категорії, а встановлюються безпосередньо на будівлі. Тросові блискавко-приймачі не поступаються стрежневим за економічними параметрами, але з точки зору експлуатації є менш надійними і використовуються лише для захисту вельми протяжних об'єктів.

Стрежневий блискавковідвід, що стоїть окремо, складається з опори (висотою до 25 м - із дерева, до 5 м - із металу або залізобетону), блискавко-приймача (сталевий профіль перерізом не менше 100), струмовідводу (перерізом не менше 48) і заземлювача. Зона захисту блискавковідводу є обсяг конуса, висота якого дорівнює 0,8 * 5 вм для зони типу А і 0,92 вм для зони типу Б (вм - висота блискавковідводу). На рівні землі зона захисту утворює коло з певним радіусом.

У тросового блискавковідводу в якості блискавкоприймача використовується горизонтальний трос, який закріплюється на двох опорах. Струмовідводи приєднуються до обох кінців троса, прокладаються по опорах і приєднуються кожен до окремого заземлювача.

При установці блискавковідводу на будівлі повинна бути забезпечена безпечна «повітряна» відстань між струмовідводом і об'єктом, що захищається, що виключає можливість електророзряду між ними. Крім того, для запобігання заносу високих потенціалів через ґрунт повинно бути забезпечено безпечну відстань між заземлювачем і метало-комунікаціями, що входять до будівлі. Воно визначається за формулою, де- імпульсна електроопір заземлювача.

Захист від електростатичної індукції полягає у відведенні індукованих статичних зарядів в землю шляхом приєднання металевого обладнання, розташованого всередині і поза будівлею, до спеціального заземлювача або до захисного заземлення електроустановок. Опір заземлювача розтіканню струму промислової частоти повинен бути не більше 10 Ом.

Для захисту від електромагнітної індукції між трубопроводами та іншими протяжними метало-комунікаціями в місцях їх зближення на відстань 10 см і менше через кожні 20 м встановлюють (приварюють) металеві перемички, за якими наведені струми перетікають з одного контуру в інший без створення електричних розрядів між ними.

Вимоги справжньої Інструкції обов'язкові для виконання всіма міністерствами і відомствами.

Існує інструкція, яка встановлює необхідний комплекс заходів і пристроїв, призначених для забезпечення безпеки людей (сільськогосподарських тварин), оберігання будівель, споруд, устаткування і матеріалів від вибухів, пожеж і руйнувань, можливих при діях блискавки. Інструкція повинна дотримуватися при розробці проектів будівель і споруд. При проектуванні та монтажі блискавкозахисту керуються інструкціями та вимогами національної нормативної бази, яка останнім часом наведена відповідно до міжнародних норм:

1. ДСТУ Б В.2.5-38: 2008 Інженерне обладнання будинків і споруд. Пристрій захисту від блискавки будівель і споруд.

2. РД 34.21.122-87/Міненерго СССР Інструкція з пристрою блискавкозахисту будівель і споруд. (що діє до 2012р)

3. РД 34.21.122-87 "Інструкції по пристрою блискавкозахисту будівель і споруд"

4. ДБН В.2.5-23-2003 Інженерне обладнання будинків і споруд. Проектування електрообладнання об'єктів цивільного призначення

«Інструкції по пристрою блискавкозахисту будівель і споруд» включає в себе загальну таблицю відповідності характеристик споруди та відповідного громовідводу.

Відповідно до цієї інструкції захист від прямих ударів блискавки будівель і споруд, віднесених по пристрою блискавкозахисту до I категорії, повинна виконуватися окремо вартими стрижньовими (рис. 1.2) або тросовими (рис. 1.3) громовідводами.

Рис. 1.2 Окремо вартий стрижньового громовідводу: 1 - об'єкт, що захищається; 2 - металеві комунікації

Рис. 1.3 Окремо вартий тросового громовідводу

Вказані громовідводи повинні забезпечувати зону захисту типу А.

Для окремо вартих громовідводів прийнятними є наступні конструкції заземлювачів (табл. 1.2):

а) один (і більш) залізобетонний підножник завдовжки не менше 2 м або одна (і більш) залізобетонна паля завдовжки не менше 5 м;

б) одна (і більш) заглиблена в землю не менше ніж на 5 м стійка залізобетонної опори діаметром не менше 0,25 м;

в) залізобетонний фундамент довільної форми з площею поверхні контакту із землею не менше 10 м2;

г) штучний заземлювач, що складається з трьох і більш вертикальних електродів завдовжки не менше 3 м, об'єднаного горизонтальним електродом, при відстані між вертикальними електродами не менше 5 м. Мінімальні перетини (діаметри) електродів визначаються по табл. 3.

Таблиця 1.2

Заземлювач	Ескіз	Розміри, м
Залізобетонний підножник		а ≥ 1,8 b≥0,4 l ≥2,2
Залізобетонна паля		d = 0,25-0,4 l ≥5
Сталевий двохстрижньовий: смуга розміром 40х4 мм стрижні діаметром d=10-20 мм		t і 0,5 l = 3-5 з = 3-5

Для захисту від вторинних проявів блискавки повинні бути передбачені наступні заходи:

а) металеві конструкції і корпуси всього устаткування і апаратів, що знаходяться в будівлі, що захищається, повинні бути приєднані до заземлюючого пристрою електроустановок, вказаного в п. 1.7, або до залізобетонного фундаменту будівлі (з урахуванням вимог п. 1.8). Найменші допустимі відстані в землі між цим заземлювачем і заземлювачами захисту від прямих ударів блискавки повинні бути відповідно до п. 2.5;

б) усередині будівель і споруд між трубопроводами і іншими протяжними металевими конструкціями в місцях їх взаємного зближення на відстань менше 10 см через кожні 20 м слід приварювати або припаювати перемички із сталевого дроту діаметром не менше 5 мм або сталевої стрічки перетином не менше 24 мм2, для кабелів з металевими оболонками або бронею перемички повинні виконуватися з гнучкого мідного провідника відповідно до вказівок СНіП 3.05.06-85;

в) у з'єднаннях елементів трубопроводів або інших протяжних металевих предметів повинні бути забезпечені перехідні опори не більше 0,03 Ом на кожен контакт. При неможливості забезпечення контакту з вказаним перехідним опором за допомогою болтових з'єднань необхідний пристрій сталевих перемичок, розміри яких вказані в підпункті "б".

Що стосується конструкції громовідводів, то опори стрижньових громовідводів повинні бути розраховані на механічну міцність як вільно варті конструкцій, а опори тросових громовідводів - з урахуванням натягнення троса і дії на нього вітрових і ожеледних навантажень. З'єднання блискавко-приймачів із струмовідводом і струмовідводів із заземлювачами повинні виконуватися, як правило, зваркою, а при неприпустимості вогняних робіт вирішується виконання болтових з'єднань з перехідним опором не більше 0,05 Ом при обов'язковому щорічному контролі останнього перед початком грозового сезону.

Останнім часом з’явилися нові засоби захисту систем та будівель від блискавки, розглянемо деякі з них детальніше.

Тригерний метод. У грозову хмару запускається ракета, яка тягне за собою заземлений дріт. Ініціюється грозовий розряд на безпечній відстані від об'єкта. у цей спосіб американці захищають космодром на мисі Канаверал перед запуском «човників», а вчені забезпечують «постачання» блискавок у визначене місце з метою проведення детальних досліджень.

Лазерний метод. У хмару скеровують промінь лазера, корпус якого заземлено. Внаслідок іонізації повітря відбувається розряд «хмара-лазер». Такий захист боронить Форт Нокс, де міститься золотий запас США. Ця технологія ще тільки розвивається, довжина штучного каналу розряду досить обмежена.

Нейтралізація зарядів. Навкруги об'єкта встановлюються щогли із системою багатьох загострених електродів, що приєднані до заземлювачів (традиційний же блискавко-приймач має один або декілька загострених чи заокруглених вершечки). Наближення грозової хмари призводить до інтенсивного стікання з електродів зарядів протилежної полярності - електричний вітер. Над об'єктом напинається своєрідний електростатичний екран. Ніякого тобі грому, блискавки (та електромагнітних імпульсів). Цей спосіб ще не дістав загального підтвердження і сприйняття науково-технічною спільнотою.

Активні блискавко-приймачі. Покликані полегшувати ініціювання зустрічного розряду саме з блискавкоприймача, для чого мають на вершечку іонізуючий пристрій (радіоактивний препарат або іскровий проміжок). Ефективність цих блискавкоприймачів продовжує дискутуватися науковою громадою. Слід мати на увазі, що наведені та деякі інші нові способи захисту ще майже не знайшли свого відображення у нормативних документах різних країн.