Файл: Практическая работа 5 Расчет устройств молниезащиты зданий и сооружений.pdf

49
Практическая работа № 5
Расчет устройств молниезащиты зданий и сооружений
Цель работы: познакомиться с устройством молниезащиты, типами молниеотводов, принципом выбора молниеотводов. Освоить методику расчета устройств молниезащиты.
Основные понятия
Молния представляет собой электрический разряд длиной в несколько километров, развивающийся между грозовым облаком и землей или каким- либо наземным сооружением.
Воздействия молнии принято подразделять на две основные группы:

первичные, вызванные прямым ударом молнии;

вторичные, индуцированные близкими ее разрядами или занесенные в объект протяженными металлическими коммуникациями.
Опасность прямого удара и вторичных воздействий молнии для зданий и сооружений и находящихся в них людей или животных определяется, с одной стороны, параметрами разряда молнии, а с другой – технологическими и конструктивными характеристиками объекта (наличием взрыво- или пожароопасных зон, огнестойкостью строительных конструкций, видом вводимых коммуникаций, их расположением внутри объекта и т.д.).
Прямой удар молнии вызывает следующие воздействия на объект:
электрические, связанные с поражением людей или животных электрическим током; термические, связанные с резким выделением теплоты при прямом контакте молнии с объектом; механические, обусловленные ударной волной, распространяющейся от канала молнии, и электродинамическими силами, действующими на проводники с токами молнии.
Вторичные проявления молнии связаны с действием на объект электромагнитного поля близких разрядов – электростатической и электромагнитной индукцией.
Электростатическая индукция проявляетсяв виде перенапряжения, возникающего на металлических конструкциях объекта и зависящего от тока молнии, расстояния до места удара и сопротивления заземлителя. При отсутствии надлежащего заземлителя перенапряжение может достигать сотен киловольт и создавать опасность поражения людей и перекрытий между разными частями объекта.
Электромагнитная индукция заключается в наведении потенциалов в незамкнутых металлических контурах, величина которых зависит от изменений тока молнии и площади, охватываемой контуром, и может достигать нескольких десятков киловольт.
Еще одним видом опасного воздействия молнии является занос высокого
потенциала по вводимым в объект коммуникациям (проводам воздушных линий электропередачи, кабелям, трубопроводам). Он представляет собой
3

50 перенапряжение, возникающее на коммуникации при прямых и близких ударах молнии и распространяющееся в виде набегающей на объект волны.
Удары молнии могут быть особо опасны для информационных систем, систем управления, контроля и электроснабжения.
Молниезащита зданий и сооружений проектируется в соответствие с "Инструкцией по устройству молниезащиты зданий, сооружений и промышленных коммуникаций" СО 153-34.21.122-2003, утвержденной приказом Минэнерго России от 30.06.2003 г. №280.
Классификация зданий и сооружений по устройству молниезащиты
Классификация объектов определяется по опасности ударов молнии для самого объекта и его окружения (табл. 1).
По устройству молниезащиты здания и сооружения делятся на обычные объекты и специальные объекты.
Обычные объекты – жилые и административные строения, а также здания и сооружения, высотой не более 60 м, предназначенные для торговли, промышленного производства, сельского хозяйства.
Специальные объекты:

объекты, представляющие опасность для непосредственного окружения
(нефтеперерабатывающие предприятия, заправочные станции);

объекты, представляющие опасность для социальной и физической окружающей среды (объекты, которые при поражении молнией могут вызвать вредные биологические, химические и радиоактивные выбросы);

прочие объекты, для которых может предусматриваться специальная молниезащита (строения высотой более 60 м, игровые площадки, временные сооружения, строящиеся объекты).
Таблица 1
Объект
Тип объекта
Последствия удара молнии
1
2
3
Обычный
Жилой дом
Отказ электроустановок, пожар и повреждение имущества.
Обычно небольшое повреждение предметов, расположенных в месте удара молнии или задетых ее каналом
Ферма
Первоначально - пожар и занос опасного напряжения, затем - потеря электропитания с риском гибели животных из-за отказа электронной системы управления вентиляцией, подачи корма и т.д.
Театр; школа; универмаг; спортивное сооружение
Отказ электроснабжения (например, освещения), способный вызвать панику. Отказ системы пожарной сигнализации, вызывающий задержку противопожарных мероприятий
Банк; страховая компания; коммерческий офис
Отказ электроснабжения (например, освещения), способный вызвать панику. Отказ системы пожарной сигнализации, вызывающий задержку противопожарных мероприятий. Потери средств связи, сбои компьютеров с потерей данных

51
Больница; детский сад; дом для престарелых
Отказ электроснабжения (например, освещения), способный вызвать панику. Отказ системы пожарной сигнализации, вызывающий задержку противопожарных мероприятий. Потери средств связи, сбои компьютеров с потерей данных.
Необходимость помощи тяжелобольным и не подвижным людям
Промышленные предприятия
Дополнительные последствия, зависящие от условий производства, - от незначительных повреждений до больших ущербов из-за потерь продукции
Музеи и археологические памятники
Невосполнимая потеря культурных ценностей
Специальный с ограниченной опасностью
Средства связи; электростанции; пожароопасные производства
Недопустимое нарушение коммунального обслуживания
(телекоммуникаций).
Косвенная опасность пожара для соседних объектов
Специальный, представляющий опасность для непосредственно го окружения
Нефтеперерабаты вающие предприятия; заправочные станции; производства петард и фейерверков
Пожары и взрывы внутри объекта и в непосредственной близости
Специальный, опасный для экологии
Химический завод; атомная электростанция; биохимические фабрики и лаборатории
Пожар и нарушение работы оборудования с вредными последствиями для окружающей среды
При строительстве и реконструкции для каждого класса объектов определяется необходимый уровень надежности защиты от прямых ударов молнии
(ПУМ). Надежность защиты определяется как 1–Р.
Таблица 2
Уровни защиты от ПУМ для обычных объектов
Уровень защиты
Надежность защиты от ПУМ
I
0,98
II
0,95
III
0,90
IV
0,80
Для специальных объектов минимально допустимый уровень надежности защиты от ПУМ устанавливается в пределах 0,9-0,999 в зависимости от степени его общественной значимости и тяжести ожидаемых последствий от ПУМ по согласованию с органами государственного контроля.
У
СТРОЙСТВО МОЛНЕЗАЩИТЫ
Молниезащита представляет собой комплекс мероприятий, направленных на предотвращение прямого удара молнии в объект или на

52 устранение опасных последствий, связанных с прямым ударом; к этому комплексу относятся также средства защиты, предохраняющие объект от вторичных воздействий молнии и заноса высокого потенциала.
Средством защиты от прямых ударов молнии служит молниеотвод – устройство, рассчитанное на непосредственный контакт с каналом молнии и отводящее ее ток в землю.
Молниеотводы разделяются на отдельно стоящие, обеспечивающие растекание тока молнии минуя объект, и устанавливаемые на самом объекте.
При этом растекание тока происходит по контролируемым путям так что обеспечивается низкая вероятность поражения людей от взрыва или пожара.
Установка отдельно стоящих молниеотводов исключает возможность термического воздействия на объект при поражении молниеотвода, для объектов с постоянной взрывоопасностью принят этот способ защиты. Для объектов, характеризующихся меньшим риском взрыва или пожара, в равной мере допустимо использование отдельно стоящих молниеотводов и устанавливаемых на защищаемом объекте.
Молниеотвод представляет собой возвышающееся над защищаемым объектом устройство, воспринимающее прямой удар молнии и отводящее токи молнии
(посредством определенной системы заземления) в землю.
Молниеотвод состоит из следующих элементов:
1. молниеприемник (воспринимает прямой удар молнии);
2. опора (несущая конструкция, предназначенная для установки молниеприемника);
3. токоотвод (обеспечивает отвод тока молнии к заземлителю);
4. заземлитель (отводит ток молнии в землю и обеспечивает контакт с землей молниеприемника и токоотвода).
На практике молниеотводы могут образовывать единую конструкцию, например металлическая мачта или ферма здания представляет собой молниеприемник, опору и токоотвод одновременно.
По типу молниеприемника молниеотводы разделяются на стержневые
(вертикальные), тросовые (горизонтальные протяженные), замкнутые
тросовые и сетки, состоящие из продольных и поперечных горизонтальных электродов, соединенные в местах пересечения.
Стержневые и тросовые молниеотводы могут быть как отдельно стоящие, так и устанавливаемые на объекте, мониеприемные сетки укладываются на неметаллическую кровлю защищаемых зданий и сооружений в случае если крыша горизонтальная.
Защитное действие молниеотводов
Защитное действие молниеотвода основано на свойстве молнии с большой вероятностью поражать более высокие и хорошо заземленные

53 предметы по сравнению с расположенными радом объектами меньшей высоты.
Поэтому на молниеотвод, возвышающийся над защищаемым объектом, возлагается функция перехвата молний, которые в отсутствии молниеотвода поразили бы объект.
Каждый молниеотвод имеет зону защиты – пространство, внутри которого здание или сооружение защищено от прямых ударов молнии с надежностью не ниже определенного значения. Наименьшей и постоянной надежностью обладает поверхность зоны защиты; в глубине зоны защиты надежность выше, чем на ее поверхности.
Выбор молниеотводов
Выбор типа и высоты молниеотводов производится исходя из значений требуемой надежности Р
з
. Объект считается защищенным, если совокупность всех его молниеотводов обеспечивает надежность защиты не менее Р
з
Во всех случаях система защиты от прямых ударов молнии выбирается так, чтобы максимально использовались естественные молниеотводы, а если обеспечиваемая ими защищенность недостаточна - в комбинации со специально установленными молниеотводами.
В общем случае выбор молниеотводов должен производиться при помощи соответствующих компьютерных программ, способных вычислять зоны защиты или вероятность прорыва молнии в объект (группу объектов) любой конфигурации при произвольном расположении практически любого числа молниеотводов различных типов.
При прочих равных условиях высоту молниеотводов можно снизить, если вместо стержневых конструкций применять тросовые, особенно при их подвеске по внешнему периметру объекта.
Если защита объекта обеспечивается простейшими молниеотводами
(одиночным стержневым, одиночным тросовым, двойным стержневым, двойным тросовым, замкнутым тросовым), размеры молниеотводов можно определять, пользуясь заданными в Инструкции зонами защиты (табл.2-4 методических указаний).
Зоны защиты одиночного стержневого молниеотвода
Стандартной зоной защиты одиночного стержневого молниеотвода высотой h является круговой конус высотой h
0
< h, вершина которого совпадает с вертикальной осью молниеотвода (рис.1). Габариты зоны определяются двумя параметрами: высотой конуса h
0
и радиусом конуса на уровне земли r
0

54
Рис. 1. Зона защиты одиночного стержневого молниеотвода
1 - граница зоны защиты на уровне h
x
, 2 -то же на уровне земли
Приведенные ниже расчетные формулы (табл. 2) применяются для молниеотводов высотой до 150 м. При более высоких молниеотводах следует пользоваться специальной методикой расчета.
Таблица 2
Расчет зоны защиты одиночного стержневого молниеотвода
Надежность
защиты Р
з
Высота
молниеотвода
h, м
Высота конуса h
0
, м
Радиус конуса r
0
, м
0,9 от 0 до 100
0,85h
1,2h
от 100 до 150
0,85h
[1,2 - 10
-3
·(h - 100)]·h
0,99 от 0 до 30
0,8h
0,8h
от 30 до 100
0,8h
[0,8 - 1,43· 10
-3
∙(h - 30)]· h
от 100 до 150
[0,8 – 10
-3
·(h - 100)]·h
0,7h
0,999 от 0 до 30
0,7h
0,6h
от 30 до 100
[0,7 - 7,14· 10
-4
∙(h - 30)]· h
[0,6 - 1,43·10
-3
∙(h - 30)]· h
от 100 до 150
[0,65 - 10
-3
∙(h - 100)]· h
[0,5 - 2 ·10
-3
∙(h - 100)]· h
Для зоны защиты требуемой надежности (рис.1) радиус горизонтального сечения r
х
на высоте h
x
определяется по формуле
0 0
0
)
(
h
h
h
r
r
x
x


(1)
Зоны защиты одиночного тросового молниеотвода
Стандартные зоны защиты одиночного тросового молниеотвода высотой
h ограничены симметричными двускатными поверхностями, образующими в вертикальном сечении равнобедренный треугольник с вершиной на высоте h
0
<
h и основанием на уровне земли 2r
0
(рис.2).
Рис. 2. Зона защиты одиночного тросового молниеотвода
1 - граница зоны защиты на уровне h
x
, 2 -то же на уровне земли

55
Приведенные ниже расчетные формулы (табл.3) пригодны для молниеотводов высотой до 150 м. При большей высоте следует пользоваться специальным программным обеспечением. Под h понимается минимальная высота троса над уровнем земли (с учетом провеса).
Таблица 3
Расчет зоны защиты одиночного тросового молниеотвода
Надежность
защиты Р
з
Высота
молниеотвода h, м
Высота конуса h
0
, м
Радиус конуса r
0
, м
0,9 от 0 до 150
0,87h
1,5h
0,99 от 0 до 30
0,8h
0,95h
от 30 до 100
0,8h
[0,95 - 7,14 ·10
-4
· (h - 30)] ·h
от 100 до 150
0,8h
[0,9 – 10
-3
· (h - 100)] ·h
0,999 от 0 до 30
0,75h
0,7h
от 30 до 100
[0,75 - 4,28·10
-4
·(h - 30)] · h
[0,7 - 1,43 · 10
-3
·(h - 30)] ·h
от 100 до 150
[0,72 – 10
-3
·(h - 100)] · h
[0,6 - 10·(h -100)] ·h
Полуширина r
x
зоны защиты требуемой надежности (рис.2) на высоте h
x
от поверхности земли определяется выражением:
0 0
0
h
h
h
r
r
x
x


(2)
При необходимости расширить защищаемый объем к торцам зоны защиты собственно тросового молниеотвода могут добавляться зоны защиты несущих опор, которые рассчитываются по формулам одиночных стержневых молниеотводов, представленным в табл. 2. В случае больших провесов тросов, например у воздушных линий электропередачи, рекомендуется рассчитывать обеспечиваемую вероятность прорыва молнии программными методами, поскольку построение зон защиты по минимальной высоте троса в пролете может привести к неоправданным затратам.
Зоны защиты двойного стержневого молниеотвода
Молниеотвод считается двойным, когда расстояние между стержневыми молниеприемниками L не превышает предельной величины L
max
. В противном случае оба молниеотвода рассматриваются как одиночные.
Рис.3. Зона защиты двойного стержневого молниеотвода:
1 - граница зоны защиты на уровне h
x1
; 2 -то же на уровне h
x2
, 3 -то же на уровне
земли

56
Конфигурация вертикальных и горизонтальных сечений стандартных зон защиты двойного стержневого молниеотвода (высотой h и расстоянием L между молниеотводами) представлена на рис.3. Построение внешних областей зон двойного молниеотвода (полуконусов с габаритами h
0
, r
0
) производится по формулам табл. 2 для одиночных стержневых молниеотводов. Размеры внутренних областей определяются параметрами h
0
и h
с
, первый из которых задает максимальную высоту зоны непосредственно у молниеотводов, а второй
- минимальную высоту зоны посередине между молниеотводами. При расстоянии между молниеотводами L ≤ L
c
граница зоны не имеет провеса (h
с
=
h
0
). Для расстояний L
c
≤L≥L
max высота h
с
определяется по выражению:
0
max max
h
L
L
L
L
h
c
c



(3)
Входящие в него предельные расстояния L
max
и L
c
вычисляются по формулам табл.4, применяемым для молниеотводов высотой до 150 м. При большей высоте молниеотводов следует пользоваться специальным программным обеспечением.
Таблица 4
Расчет параметров зоны защиты двойного стержневого молниеотвода
Надежность
защиты Р
з
Высота
молниеотвода h, м
L
max
, м
L
c
, м
0,9 от 0 до 30
5,75h
2,5h
от 30 до 100
[5,75 - 3,57 ·10
-3
· (h - 30)] ·h
2,5h
от 100 до 150
5,5h
2,5h
0,99 от 0 до 30
4,75h
2,25h
от 30 до 100
[4,75 - 3,57 ·10
-3
· (h - 30)] ·h
[2,25 - 0,01007·(h - 30)]·h
от 100 до 150
4,5h
1,5h
0,999 от 0 до 30
4,25h
2,25h
от 30 до 100
[4,25 - 3,57 ·10
-3
· (h - 30)] ·h
[2,25 - 0,01007·(h - 30)]·h
от 100 до 150
4,0h
1,5h
Размеры горизонтальных сечений зоны вычисляются по следующим формулам, общим для всех уровней надежности защиты: максимальная полуширина зоны r
х
в горизонтальном сечении на высоте
h
x
:
0 0
0
h
h
h
r
r
x
x


(4) длина горизонтального сечения l
x
на высоте h
x
≥ h
c
:
)
(
2 0
0
c
x
x
h
h
h
h
L
l



(5) причем при h
x
< h
c
, L
x
= L / 2;