Защита высотных зданий от прямых ударов молний
Содержание
молниезащита
ток заземлитель
Введение
1. Термины и определения
2. Классификация зданий и сооружений
по устройству молниезащиты
3. Классификация воздействий токов
молнии
4. Комплекс средств молниезащиты
5. Внешняя молниезащитная система
5.1 Молниеприемники
5.2 Токоотводы
5.3 Заземлители
Список литературы
Размещение устройств молниезащиты и
их тип выбираются на стадии проектирования нового объекта, чтобы иметь
возможность максимально использовать проводящие элементы этого объекта. Это
облегчает разработку и исполнение устройств молниезащиты, совмещенных с самим
зданием, позволяет улучшить его эстетический вид, повысить эффективность
молниезащиты, минимизировать ее стоимость и трудозатраты. При этом средства и
методы молниезащиты выбираются исходя из условия обеспечения требуемой
надежности.
Удар молнии в землю – электрический разряд атмосферного
происхождения между грозовым облаком и землей, состоящий из одного или
нескольких импульсов тока.
Точка поражения – точка, в которой молния
соприкасается с землей, зданием или устройством молниезащиты. Удар молнии может
иметь несколько точек поражения.
Защищаемый объект – здание или сооружение, их часть
или пространство, для которых выполнена молниезащита, отвечающая требованиям
нормативов.
Устройство молниезащиты – система, позволяющая защитить
здание или сооружение от воздействий молнии. Она включает в себя внешние
(снаружи здания или сооружения) и внутренние (внутри здания или сооружения)
устройства. В частных случаях молниезащита может содержать только внешние или
только внутренние устройства.
Устройства защиты от прямых ударов
молнии (молниеотводы)
– комплекс, состоящий из молниеприемников, токоотводов и заземлителей.
Молниеприемник – часть молниеотвода,
предназначенная для перехвата молний.
Токоотвод – часть молниеотвода,
предназначенная для отвода тока молнии от молниеприемника к заземлителю.
Заземлитель – проводящая часть или совокупность
соединенных между собой проводящих частей, находящихся в электрическом контакте
с землей непосредственно или через промежуточную проводящую среду.
Отдельно стоящий молниеотвод – молниеотвод, молниеприемники и
токоотводы которого расположены таким образом, чтобы путь тока молнии не имел
контакта с защищаемым объектом.
Молниеотвод, установленный на защищаемом
объекте –
молниеотвод, молниеприемники и токоотводы которого расположены таким образом,
что часть тока молнии может растекаться через защищаемый объект или его
заземлитель.
Зона защиты молниеотвода – пространство в окрестности
молниеотвода заданной геометрии, отличающееся тем, что вероятность удара молнии
в объект, целиком размещенный в его объеме, не превышает заданной величины.
Объекты классифицируются по опасности
ударов молнии для самого объекта и его окружения.
Непосредственное опасное воздействие
молнии – это пожары, механические повреждения, травмы людей и животных, а также
повреждения электрического и электронного оборудования. Последствиями удара
молнии могут быть взрывы твердых, жидких и газообразных материалов и веществ и
выделение опасных продуктов – радиоактивных и ядовитых химических веществ, а
также бактерий и вирусов. Удары молнии могут быть особо опасны для
информационных систем, систем управления, контроля и электроснабжения.
Рассматриваемые объекты могут
подразделяться на обычные и специальные.
Обычные объекты – жилые и административные строения,
а также здания и сооружения высотой не более 60 м, предназначенные для торговли, промышленного производства, сельского хозяйства. К таким объектам
относятся: жилой дом, театр, школа, универмаг, спортивное сооружение, банк,
страховая компания, коммерческий офис, больница, детский сад, промышленные
предприятия, музеи и т.д.
Специальные объекты:
– объекты, представляющие опасность
для непосредственного окружения;
– 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, например, строение высотой более 60 м, игровые площадки, временные сооружения, строящиеся объекты.
К специальным объектам относятся:
средства связи, электростанции, пожароопасные производства,
нефтеперерабатывающие предприятия, АЗС, производства петард и фейерверков,
химический завод, АЭС, биохимические фабрики и лаборатории.
При строительстве и реконструкции для
каждого класса объектов требуется определить необходимые уровни надежности
защиты от прямых ударов молнии (ПУМ). Для обычных объектов существует четыре
уровня защиты, указанные в таблице 1.
Таблица 1 – Уровни защиты от ПУМ для
обычных объектов
Уровень
защиты
|
Надежность
защиты от ПУМ
|
I
|
0,98
|
II
|
0,95
|
III
|
0,9
|
IV
|
0,8
|
Для каждого уровня молниезащиты
определяются предельно допустимые параметры тока молнии.
Соотношение полярностей разрядов
молнии зависит от географического положения местности. В отсутствие местных
данных принимаю 10% разрядов с положительными токами и 90% разрядов с
отрицательными токами.
Значение расчетных параметров для
принятых в таблице 1 уровней защищенности (при соотношении 10% к 90% между
долями положительных и отрицательных разрядов) приведены в таблице 2.
Таблица 2 – Соответствие параметров
тока молнии и уровней защищенности
Параметр молнии
|
Уровень защиты
|
I
|
II
|
III, IV
|
Пиковое значение тока I, кА
|
200
|
150
|
100
|
Средняя крутизна di/dt30/90%,кА/мкс
|
200
|
150
|
100
|
Комплекс средств молниезащиты зданий
и сооружений включает в себя устройства защиты от ПУМ [внешняя молниезащитная
система (МЗС)] и устройства защиты от вторичных воздействий молнии (внутренняя
МЗС). В частных случаях молниезащита может содержать только внешние или только
внутренние устройства. В общем случае часть токов молнии протекает по элементам
внутренней молниезащиты.
Внешняя МЗС может быть изолирована от
сооружения (отдельно стоящие молниеотводы – стержневые или тросовые, а также
соседние сооружения, выполняющие функции естественных молниеотводов), или может
быть установлена на защищаемом сооружении и даже быть его частью. Внутренние
устройства молниезащиты предназначены для ограничения электромагнитных
воздействий тока молнии и предотвращения искрений внутри защищаемого объекта. Токи
молнии, попадающие в молниеприемники, отводятся в заземлитель через систему
токоотводов и растекаются в земле.
Внешняя МЗС в общем случае состоит из
молниеприемников, токоотводов и заземлителей. Их материал и сечение выбираются
в соответствии с таблицей 3.
Таблица 3 – Материал и минимальные
сечения элементов внешней МЗС
Уровень защиты
|
Материал
|
Сечение, мм2
|
молниеприемника
|
заземлителя
|
I – IV
|
Сталь
|
50
|
50
|
80
|
I – IV
|
Алюминий
|
70
|
25
|
Не применяется
|
I – IV
|
Медь
|
35
|
16
|
50
|
Указанные значения могут быть
увеличены в зависимости от повышенной коррозии или механических воздействий.
Молниеприемники могут быть специально
установленными, в том числе на объекте, либо их функции выполняют
конструктивные элементы защищаемого объекта, тогда они называются естественными
молниеприемниками.
Молниеприемники могут состоять из
произвольной комбинации следующих элементов: стержней, натянутых проводов
(тросов), сетчатых проводников (сеток). Сетка укладывается на крыше зданий под
слоем гидроизоляции. Следующие конструктивные элементы зданий и сооружений
могут рассматриваться как естественные молниеприемники:
а) металлические кровли защищаемых
объектов при условии, что:
- электрическая непрерывность между
разными частями обеспечена на долгий срок;
- толщина металла кровли составляет
не менее значения, приведенного в таблице 4, если необходимо предохранить
кровлю от повреждения или прожога;
Таблица 4 – толщина кровли,
выполняющей функции естественного молниеприемника
Уровень защиты
|
Материал
|
Толщина не менее, мм
|
I – IV
|
Железо
|
4
|
I – IV
|
Медь
|
5
|
I – IV
|
Алюминий
|
7
|
- толщина металла кровли составляет
не менее 0,5 мм, если необязательно защищать от повреждений и нет опасности
воспламенения находящихся под кровлей горючих материалов;
- кровля не имеет изоляционного
покрытия. При этом небольшой слой антикоррозийной краски или слой 0,5 мм асфальтового покрытия, или слой 1 мм пластикового покрытия не считается изоляцией;
- неметаллические покрытия на/или под
металлической кровлей не выходят за пределы защищаемого объекта;
б) металлические конструкции крыши
(соединенная между собой стальная арматура);
в) металлические элементы типа
водосточных труб, украшений, ограждений по краю крыши и т.п., если их сечение
не меньше значений, предписанных для обычных молниеприемников;
г) технологические металлические
трубы и резервуары, если они выполнены из металла толщиной не менее 2,5 мм и проплавление или прожог этого металла не приведет к опасным или недопустимым последствиям;
д) металлические трубы и резервуары,
если они выполнены из металла толщиной не менее значения, приведенного в
таблице 4, и если повышение температуры с внутренней стороны объекта в точке
удара молнии не представляет опасности.
В целях снижения вероятности
возникновения опасного искрения токоотводы располагаются таким образом, чтобы
между точкой поражения и землей ток растекался по нескольким параллельным
путям, и длина этих путей была ограничена до минимума.
Токоотводы располагаются по периметру
защищаемого объекта таким образом, чтобы среднее расстояние между ними было не
меньше значений, приведенных в таблице 5.
Таблица 5 – Средние расстояния между
токоотводами
Уровень защиты
|
Среднее расстояние, м
|
I
|
10
|
II
|
15
|
III
|
20
|
IV
|
25
|
Токоотводы соединяются
горизонтальными поясами вблизи поверхности земли и через каждые 20 м по высоте здания. Токоотводы прокладываются по прямым и вертикальным линиям, так чтобы путь до
земли был по возможности кратчайшим. Не рекомендуется прокладка токоотводов в
виде петель.
Следующие конструктивные элементы
зданий могут считаться естественными токоотводами:
а) металлические конструкции при
условии, что:
- электрическая непрерывность меду
разными элементами является долговечной и соответствует требованиям;
- они имеют не меньшие размеры, чем
требуются для специально предусмотренных токоотводов;
- металлические конструкции могут
иметь изоляционное покрытие
б) металлический каркас здания или
сооружения;
в) соединенная между собой стальная
арматура здания или сооружения;
г) части фасада, профилированные
элементы и опорные металлические конструкции фасада при условии, что их размеры
соответствуют указаниям, относящимся к токоотводам, а их толщина составляет не
менее 0,5 мм.
Заземлитель молниезащиты совмещается
с заземлителями электроустановок и средств связи, за исключением отдельно
стоящего молниеотвода.
В качестве заземляющих электродов
может использоваться соединенная между собой арматура железобетона или иные
подземные металлические конструкции. Если арматура железобетона используется
как заземляющие электроды, повышенные требования предъявляются к местам ее
соединений, чтобы исключить механическое разрушение бетона.
Заземлитель в виде наружного контура
предпочтительно прокладывать на глубине не менее 0,5 м от поверхности земли и на расстоянии не менее 1 м от стен. Заземляющие электроды должны
располагаться на глубине не менее 0,5 м за пределами защищаемого объекта и быть
как можно более равномерно распределенными.
1. «Инструкция по устройству
молниезащиты зданий, сооружений и промышленных коммуникаций» – Москва:
Издательство МЭИ, 2004 г.