Черкасов В.Н., Костарев Н.П. Пожарная безопасность электроустановок

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13

Глава 8

МОЛНИЕЗАЩИТА

8.1. Молния и ее характеристики

Молния представляет собой электрический разряд в атмосфере между заряженным облаком и землей, между разноименно заряженными частями облака или соседними облаками. Длина ее канала обычно достигает нескольких километров, причем значительная его часть находится в грозовом облаке.

До появления разряда происходит накопление и разделение электрических зарядов в облаке, чему способствуют аэродинамические и термические процессы: восходящие воздушные потоки, конденсация паров на высоте от 1 до 6 км, образование капель, их дробление. Вертикальные потоки теплого воздуха могут создаваться при усиленном местном нагреве почвы (тепловые грозы, охватывающие небольшое пространство) и во время вторжения клиновидной массы холодного воздуха (фронтальные грозы).

 

 
  Надпись:         ЕгНадпись: 80-100 кмНадпись:         ЕнНадпись:       6 кмНадпись:       1 км

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 8.1. Образование зарядов в облаке:

1 – ионосфера; 2 – поляризованная капля; 3 – поток воздуха; 4 - облако

 

Нормально земля заряжена отрицательно с поверхностной плотностью d - при существовании электрического поля земли с напряженностью Ен. Второй «обкладкой» этого сферического конденсатора является положительно заряженная ионосфера, расположенная очень высоко (рис. 8.1). Под действием Ен падающая капля поляризуется, в нижней ее части появляется положительный заряд, в верхней – отрицательный. Движущиеся в восходящем потоке воздуха электроны притягиваются нижней частью капли, а более положительные инерционные ионы воздуха отталкиваются и уносятся далее, сосредоточиваясь вверху. В результате этого капли получают суммарный отрицательный заряд и наполняют нижнюю часть облака со значительной объемной плотностью, где может находиться иногда и небольшой объемный положительный заряд. Внутри облака образуется электрическое поле с напряженностью Еоб между распределенными разнополярными зарядами. Нижняя часть индуцирует на поверхности земли положительный заряд с плотностью d+ и появляется местное грозовое электрическое поле с напряженностью Ег, достигающей иногда 100-200 кВ/м.

Разряд облака на землю (рис. 8.2) имеет вид линейной молнии и начинается в большинстве случаев при высокой концентрации в нем зарядов и напряженности Ег=20-30 кВ/см у его выступающих частей. Этому благоприятствует меньшая плотность воздуха вокруг облака, чем плотность у земли.

 

 
  Надпись: Стреловидный лидер

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 8.2. Разряд облака на землю:

а – оптическая осциллограмма (запись на движущейся слева направо
фотопленке); б – кривая тока молнии; в – оптическая картина
восходящего разряда молнии в вершину высокой башни

Исследованиями в России и за рубежом выявлены условия возникновения молнии и ее характеристики. Для равнинных районов делают различие между разрядами молнии непосредственно в землю или в объекты высотой до 100 м и разрядами в высотные здания и сооружения: радио и телевизионные мачты, заводские трубы. В первом случае характерны нисходящие, а во втором – восходящие разряды (молнии).

Нисходящий разряд между облаком и землей разделяется на лидерный и главный. Он обычно начинается с прорастания от облака к земле слабосветящегося канала – ступенчатого лидера (см. рис. 8.2), движущегося прерывисто (ступенями). Длина каждой ступени около 50 м, средняя скорость ее распространения составляет (2-5) 105 м/с. В большинстве случаев (до 90 %) заряд облака и нисходящий ступенчатый лидер имеют отрицательную полярность. Вокруг него образуется значительная ионизированная область воздуха, созданная электрическим полем. После прорастания каждой ступени наступает пауза от 30 до 100 мкс. Общее время продвижения лидера составляет 0,005-0,01 с, средняя скорость этого процесса
(1-2) 105 м/с. Приближение его к земле обусловливает возрастание электрической напряженности на его головке, канал лидера заполняется отрицательным зарядом с линейной плотностью d-. Возрастает и плотность индуцированных зарядов d+ на земле или на ближайших объектах. Ток в лидере нарастает постепенно (см. рис. 8.2, б) и редко превышает сотни ампер.

По мере приближения ступенчатого лидера к земле напряженность электрического поля на вершине возвышающегося заземленного объекта увеличивается и может превысить критическую. С объекта начинает развиваться встречный лидер, а ступенчатый при этом может изменить направление, отклоняясь к развивающемуся от объекта встречному и соединяясь с ним.

Длина встречного лидера обычно незначительна и для большинства случаев не превышает 20-30 м. С увеличением высоты объекта от 20 до 200 м длина его канала возрастает приблизительно от 20-30 до 50-85 м, поэтому встречный лидер имеет важное значение в развитии молнии. Он формирует завершающий участок траектории и в значительной степени предопределяет место поражения. Когда головка ступенчатого лидера соприкоснется с землей или встречным лидером, возникает главный разряд (см. рис. 8.2, а). Он связан с нейтрализацией отрицательных зарядов лидера положительными зарядами земли и напоминает короткое замыкание. Можно рассматривать это явление и как освобождение лидера от отрицательных зарядов. Такой процесс направлен снизу вверх и протекает весьма быстро (за 50¸100 мкс). Наиболее вероятная скорость развития главного разряда равна 1/3 скорости света, но изменяется в больших пределах. Главный разряд сопровождается очень интенсивным свечением канала, уменьшающимся при приближении к облаку, а также мощным звуковым эффектом (громом). Ток главного разряда (см. рис. 8.2, б) достигает большой величины (десятки и сотни кА за 50-100 мкс) и способен разогреть канал до температуры более 30 000 °С. Вокруг него образуется ионизированная область, исчезающая после окончания главного разряда через 0,03-0,05 с. Затем образуется ток после свечения величиной от 10 до 1000 А. Длительный ток в этой финальной стадии молнии является одной из основных причин ее термического воздействия. Три перечисленные стадии (лидерная, главная и финальная) составляют первую компоненту нисходящей отрицательной молнии. Как правило, за ней может следовать несколько так называемых последующих компонент. При этом вместо ступенчатого лидера появляется по тому же пути стреловидный лидер (см. рис. 8.2, а), развивающийся от прежнего места в грозовом облаке до земли или объектов на земле.

Последующие компоненты молнии протекают быстрее, но их ток значительнее меньше, чем в первой. По зарубежным данным, в 50 % случаев среднее число компонент на один разряд молнии составляет 2-3, а в 45 % - одну. Изредка наблюдаются молнии со значительно большим числом компонент. Общая продолжительность многокомпонентной нисходящей молнии достигает 0,2-0,3 с (50 % случаев), но наблюдалась и длительность ее до 1-1,5 с. Заряд, переносимый в течение всей вспышки молнии, колеблется от единиц до сотен кулонов, из которых на долю отдельных импульсов приходится 5-15, а на непрерывную составляющую 10-20 Кл. Им и пополняется общий заряд земли. Отрицательная молния изучена более полно, ее параметры известны с большей достоверностью, так как данные о нисходящих молниях накапливались продолжительное время в разных районах земного шара.

При разрядах в объекты значительной высоты (сотни метров) обнаруживаются существенные различия первого импульса и завершающего разряда. В этом случае разряд начинается с прорастания восходящего лидера от вершин заземленных сооружений (см. рис. 8.2, в). Развивающийся вверх от объекта, он может и не иметь явной ступенчатой структуры, но главный разряд и в этом случае развивается от объекта к облаку (т.е. его направление совпадает с направлением распространения лидера) и получается слабым, что объясняется медленным перераспределением малоподвижных зарядов в облаке и неспособностью его быстро обеспечить высокую концентрацию их для компенсации зарядов очень длинного лидера. Чем выше объект, тем меньше ток главного разряда при одной и той же вероятности его появления. Но особенность состоит не в меньших токах, а в том, что высокие объекты будут чаще поражаться прямыми ударами. При исследованиях наблюдалось быстрое возрастание количества восходящих разрядов с увеличением высоты объекта hx (при hx ³ 150 м оно составляло 24 %, а при hx ³ 380 м – 96 %). В горах соотношение между восходящими и нисходящими разрядами изменяется в сторону увеличения первых. Лидер последующих компонент восходящих молний всегда продвигается по направлению к земле, поэтому их структура не отличается от структуры последующих компонент нисходящей молнии. Сведения о восходящих молниях появились лишь в последние десятилетия, когда начались систематические наблюдения за грозопоражаемостью очень высоких сооружений, например Останкинской телевизионной башни.

Наибольшую опасность представляет нисходящая отрицательная молния между облаком и землей (объектом) в виде линейной молнии, с которой связано подавляющее большинство пожаров и повреждений зданий, сооружений, линий электропередач, подстанций.

Таким образом, для молниезащиты представляет интерес только линейная, а не шаровая молния как редкое явление. Электрическими характеристиками молнии являются амплитуда тока Iм (наибольшее значение тока главного разряда первой компоненты), крутизна тока a, длина фронта волны тока tф и длина волны тока tв (рис. 8.3). Они важны при расчете различных воздействий молнии.

 

 

 
  Надпись: Ток молнии iм

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 8.3. Изменение тока молнии iм во времени t

 

Амплитуда Iм изменяется в очень широких пределах, достигая иногда 230-250 кА. Чем больше амплитуда, тем меньше вероятность ее появления. Оценка этой зависимости дается кривой на рис. 8.4. Видно, что амплитуда в 100 кА и выше возникает очень редко и составляет около 2 % общего числа разрядов. Наиболее часты амплитуды более 30 кА. Они появляются примерно в 50 % случаев. Расчетной величиной считают Iм = 100 кА, а в районах с малой грозовой деятельностью допустимо принимать 50 кА.

 

 
  Надпись:     Амплитуда тока молнии Iм, кА

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 8.4. Кривая вероятности амплитуд токов молнии (для высот
над уровнем моря менее 500 м)

 

Вероятность Р1 может быть определена и по простой формуле

lg Р1 = - Iм/60,                                               (8.1)

которая пригодна для хорошо заземленных объектов. При ударе молнии в трос, провод или в плохо проводящую почву вероятность уменьшается. С увеличением высоты местности кривая вероятности идет ниже. Для горных районов Iм при одной и той же вероятности уменьшается вдвое ввиду малой интенсивности главного разряда. Играет роль и высокое удельное сопротивление почвы в горах (скалы, снег).

Крутизна a = diм/dt характеризует скорость нарастания тока, т.е. отношение приращения тока Diм к очень малому промежутку времени Dt, и является переменной величиной. Она меньше в начале и в конце восходящей ветви тока, на которой происходит быстрое его изменение, и велика в ее середине. Величина a всегда превышает 5 кА/мкс и может достигать
80 кА/мкс. Средняя крутизна a = Iм/tф и пропорциональна tga (a - угол наклона штрихпунктирной кривой к оси времени) на рис. 8.3. Максимальная расчетная крутизна принимается равной 50 кА/мкс. На ниспадающей ветви кривой ток изменяется медленней, его крутизна гораздо меньше и ее во внимание не принимают.

Вероятность появления тока молнии с крутизной a или более определяется по формуле

lg Рa = - a/36.                                              (8.2)

Крутизна важна для расчета индуктивного падения напряжения в проводниках цепи тока молнии. Она определяет в основном и наведенные ЭДС, и разности потенциалов в тех контурах, на которые молния прямо не воздействует (провода электрической сети, антенны, трубопроводы). Крутизна при высоких объектах принимается такой же, как и для объектов высотой менее 30 м. Для горных районов (высота над уровнем моря более 700 м) при той же вероятности крутизна уменьшается вдвое. Общая вероятность одновременного появления тока молнии с амплитудой Iм и более, с крутизной a и выше оценивается по аналогичной формуле

lg Р1,a= [(Iм/60)+(a/36)].                                      (8.3)

На практике замечено сравнительно слабое увеличение крутизны при возрастании амплитуды тока молнии.

Длиной фронта tф называют время от начала до конца нарастания тока молнии. На этом участке изменение тока наиболее интенсивное. Величина tф первых компонент составляет 1,5–10 мкс. Чем больше амплитуда, тем обычно больше и tф. Для последующих компонент длина фронта волны меньше примерно в 2,5 раза. За расчетную величину рекомендуется принимать tф = 1,5 мкс.

Длиной волны принято считать время tв, протекающее от начала до того момента, когда iм = 0,5Iм и изменяется от 20 до 100 мкс. Расчетной величиной принимают tф = 50 мкс.

Иногда кривую тока молнии идеализируют. Если интересуются процессами на фронте, то считают, что после t = tф ток не изменяется и остается равным Iм. Наоборот, для анализа воздействия на ниспадающей ветви, например теплового воздействия, пренебрегают фронтом и полагают, что ток сразу достигает значения Iм и затем медленно спадает по закону
iм = Iмe-1/Т, где Т – некоторая постоянная величина.

8.2. ПОЖАРО- И ВЗРЫВООПАСНОСТЬ ВОЗДЕЙСТВИЯ МОЛНИИ

Воздействие молнии может быть двояким. Во-первых, оно может поражать здания и установки непосредственно, что называется прямым ударом, или первичным воздействием. Прямой удар молнии характеризуется непосредственным контактом канала молнии со зданием или сооружением и сопровождается протеканием через него тока молнии. Во-вторых, она может оказывать вторичные воздействия, объясняемые электростатической и электромагнитной индукцией, а также заносом высоких потенциалов через надземные и подземные металлические коммуникации, что является следствием прямого удара молнии. Вторичные воздействия создают опасность искрения внутри защищаемого объекта.

Воздействия прямого удара молнии

Прямой удар молнии обуславливает следующие воздействия на объекты: термические, механические и электрические. Все эти воздействия могут быть причинами пожаров, взрывов, механических разрушений, перенапряжения на пораженных элементах объекта, проводах и кабелях электрических сетей, поражения людей.

Термические воздействия связаны с резким выделением теплоты при прямом контакте канала молнии с содержимым пораженного объекта и при протекании через объект тока молнии. Канал молнии имеет высокую температуру (30 000°С и выше) и запас тепловой энергии. Выделяемая в канале молнии энергия определяется переносимым зарядом, длительностью протекания и амплитудой тока молнии. В 95 % случаев разрядов молнии эта энергия (в расчете на сопротивление 1 Ом) превышает 5,5 Дж [2], что на несколько порядков превышает минимальную энергию воспламенения газо-, паро- и пылевоздушных смесей. При этом вероятность воспламенения горючей среды зависит не только и не столько от амплитуды тока, сколько от величины и времени протекания длительного тока молнии в ее финальной стадии (ток 100-500 А, время 1-1,5 с).

Особую опасность прямой удар молнии представляет для зданий и наружных установок, где по условиям технологического процесса может образоваться взрывоопасная среда, что встречается редко; чаще она образуется при нарушении технологических процессов, авариях оборудования, вентиляции.

Опасность поражения прямым ударом молнии некоторых наружных взрывоопасных установок связана с проплавлением молнией металлических поверхностей, перегревом их внутренних стенок или воспламенением взрывоопасных смесей паров и газов, выделяющихся через дыхательные и предохранительные клапаны, газоотводные трубы, свечи. Сюда относятся металлические и железобетонные резервуары со сжиженными горючими газами, многие аппараты наружных технологических установок нефтеперерабатывающих, химических и других объектов.

Тепловые процессы в месте контакта молнии с металлом весьма сложны и плохо поддаются расчету. При упрощении модели этого явления можно предположить, что процесс тепловыделения в зоне контакта аналогичен стационарной электрической дуге. Доказано, что проплавление (прожог) металла установок током молнии возможно лишь при его толщине не более 4 мм.

В работе [31] указывается, что площадь прожога S, мм2, слабо зависит от материала стенки, а определяется в основном ее толщиной d, мм, и протекшим зарядом qм, Кл. Экспериментальные данные удовлетворительно интерполируются следующими соотношениями для меди, железа, стали и алюминия:

при 0 мм < d £ 0,9 мм

S = 25,3d-0,9qм;                                               (8.4)

при 0,9 мм < d £ 3,8 мм

S = 24,5d-1,54qм.                                              (8.5)

Проплавление током молнии металлических поверхностей может привести к взрыву и разрушениям, если внутри установки содержится взрывоопасная концентрация горючих газов и паров, поэтому с учетом коррозии за минимальную толщину металла, способную сохранить герметичность установки (при отсутствии высоких давлений), принимают 5 мм. Необходимо учитывать, что внутренняя часть стенки установки, где содержится продукт, в месте удара молнии приобретает повышенную температуру, которая может оказаться критической для него и вызвать взрыв. Для объяснения этого явления можно воспользоваться теорией воспламенения горючих смесей от действия накаленных тел.

Пораженный участок стенки установки (рис. 8.5) примем за накаленное тело с температурой Т1. Если среда, соприкасающаяся с ним, инертна, то распределение температуры в ней изобразится кривой Т1А1 (см.рис. 8.5). Если же среда представляет собой горючую смесь, то в силу дополнительного выделения тепла распределение температур в ней изобразится пунктирной линией Т1А1¢. Повышение начальной температуры стенки до Т2 приведет к тому, что в инертной среде ее распределение будет подобно прежнему, но с более резким снижением (кривая Т2А2). В горючей же смеси, где с повышением температуры увеличивается выделение теплоты, распределение температуры снижается значительно медленней, чем Т2А2. При определенном значении Т2 понижения температуры в горючей среде (вблизи накаленного участка стенки) не произойдет, а ее распределение изобразится пунктирной линией Т2А2¢, т.е. температура горючей смеси за счет выделения тепла реакции поддерживается равной температуре накаленного участка стенки, который больше не участвует в процессе нагрева смеси.

При повышении температуры стенки до Т3 на некотором удалении от нее температура горючей смеси будет расти до тех пор, пока не возникнет горение. Такое изменение температуры изобразится кривой Т3А3¢ (см. рис. 8.5).

Таким образом, температура накаленного участка стенки Т2 является предельной, так как при ней количество теплоты, выделяемое реакцией, равняется отводимому. Если немного повысить температуру участков стенки (до Т3), то скорость выделения теплоты превысит скорость теплоотвода, и смесь получит возможность разогреваться до воспламенения, следовательно, Т3 – температура самовоспламенения. В случае возникновения горения от действия местного источника критическая температура должна превышать температуру самовоспламенения (например, Т3), при этом чем меньше размеры накаленного участка стенки, тем выше критическая температура.

Были проведены опыты по выявлению влияния размеров шарика, рассматриваемого в качестве источника зажигания, на температуру самовоспламенения горючей смеси. Результаты опытов показали (рис. 8.6), что меньшему диаметру шарика соответствует большая температура самовоспламенения газовой смеси (светильного газа с воздухом). Диаметр накаленного участка в месте прямого удара молнии можно принять равным 10 см.

Надпись: Температура
самовоспламенения, °С
При воспламенении горючей смеси в аппарате, пораженном молнией, необходимо учитывать и то, что горючие смеси имеют период индукции или время запаздывания самовоспламенения. Воспламенения не произойдет, если указанный период окажется больше времени охлаждения накаленного участка стенки аппарата до величины ниже температуры самовоспламенения. Если же он меньше времени охлаждения этого участка, то горючая смесь воспламенится.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 8.6. Зависимость температуры самовоспламенения от диаметра шарика

Опытами установлено, что время нагрева и охлаждения пораженного молнией места в стальном листе от 0,1 до 10 с. Максимум температуры возникает через 1-2 с от начала удара молнии и уменьшается пропорционально толщине листа. Период же индукции у ряда веществ может быть меньше интервала между возникновением максимума температуры и охлаждением поражаемого участка стенки. У метановоздушных смесей в зависимости от процентного содержания метана (6-10 %) и температуры нагрева смесей (775-875 °С) период индукции колеблется от 0,35 до 1,23 с. У водородовоздушных смесей при концентрациях водорода от 27,8 до 34 % период индукции составляет 3 мс, а у ацетиленовоздушных смесей (концентрация ацетилена 10-18 %) – 4 – 14 мс. У пыли битуминозного угля он составляет примерно 4 мс, а у алюминиевой пыли практически отсутствует. Из приведенных примеров видно, что установки с водородом или ацетиленом более опасны, чем с метаном. Также опасны сооружения с алюминиевой пылью.

Надпись: Максимальная температура, °СПредставленная на рис. 8.7 кривая tмакс = f(d) позволяет выбрать допустимую толщину металла для наружных взрывоопасных установок. Там, где допустимо повышение температуры внутренней стенки до 800-1200 °С
(с учетом всех свойств среды) и нет высоких давлений, можно ограничиться толщиной стенки в 4-5 мм. В установках, содержащих газ или жидкость под давлением, толщина должна быть 5,5-6 мм, в противном случае силой давления разогретый металл разорвется или вспучится, что может привести к пожару или взрыву.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 8.7. Зависимость температуры от толщины листа

Таким образом, при решении вопроса об использовании взрывоопасных наружных технологических установок в качестве естественных молниеприёмников в каждом отдельном случае необходим тщательный анализ приведенных выше условий. В сомнительных случаях (установки находятся под избыточным давлением) для исключения непосредственного контакта канала молнии с установкой на последней сооружают специальный молниеприёмник. Такие молниеприёмники необходимы и в том случае, если на установках имеются дыхательные клапаны, газоотводные трубы, свечи. При этом молниеприёмники располагают так, чтобы контакт канала молнии с ними происходил вне взрывоопасной зоны распространения взрывоопасных смесей. Те же условия нужно соблюдать и при установке молниеотводов для защиты взрывоопасных зданий с устройствами для выделения горючих смесей, способных к воспламенению при контакте с каналом молнии. Большинство промышленных зданий и наружных установок представляет сложную сеть металлических конструкций, трубопроводов и т.д., по которым в момент прямого удара растекается ток молнии. При отсутствии контакта между отдельными конструкциями в местах сближения металлических частей может возникнуть мощная искра – источник воспламенения горючей среды.

Пожар или взрыв от прямого удара молнии может произойти и при наличии молниезащиты, если токоотводы имеют значительную протяженность и не предприняты меры по выравниванию потенциалов между ними и металлическими конструкциями здания или технологического оборудования. В противном случае между токоотводом и элементами здания, сохраняющими потенциал, близкий к потенциалу земли, возникает искра – источник взрыва или пожара. К пожару может привести также нарушение целостности токоотвода, проложенного по мягкой кровле или сгораемому утеплителю здания, и тогда в месте разрыва возникает мощная искра.

Пожаро- и взрывоопасность атмосферного электричества может быть обусловлена не только прямым ударом молнии, но и встречными (незавершенными) восходящими лидерами (размер канала составляет несколько десятков сантиметров), температура канала которых может достигать
2 000 – 7 000 К. Развивающиеся, например, от газоотводных и дыхательных труб, они даже при отсутствии разряда молнии могут вызвать воспламенение взрывоопасных смесей паров и газов, сбрасываемых в атмосферу. Такие случаи наблюдаются на нефтехимических предприятиях. Однако каких-либо нормативных мер защиты от указанных явлений не предусмотрено. Вероятность воспламенения сбрасываемых горючих смесей можно снизить примерно в 100 раз, если на устройствах по сбросу укрепить сетку-сферу (электростатический купол) с радиусом 1 м.

Отсутствуют нормативные рекомендации о необходимости учитывать при молниезащите дымовых труб не только ее высоту, но часть высоты струи выбрасываемого дыма. Высоту струи дыма над трубой следует принимать до точки, в которой температура горячих газов будет не более
100 °С. Следовательно, защитный уровень трубы будет равным hx=hтр+hстр.

Термическое воздействие токов молнии на проводники вызывает не только их нагрев, но и оплавление. При этом может выделиться такое количество теплоты, которое при недостаточном сечении металла расплавит его или даже испарит. В местах разрыва проводников или плохого электрического контакта обычно появляется искра. При расчете минимальных сечений исходят из условия, что вся тепловая энергия, выделяемая током молнии, идет на нагрев металла токоотвода. Потерей теплоты в окружающую среду из-за кратковременности этого процесса пренебрегают.

Расчетами определено, что минимальное сечение стальных токоотводов, исключающее расплавление, составляет 16 мм2, а медленных – 6 мм2. С учетом коррозии металлов их минимальные сечения следует увеличить. В практике имелись случаи, когда от действия молнии токоотводы распадались на куски длиной в несколько сантиметров, что объясняется не только тепловыми, но и электродинамическими усилиями, возникающими в проводниках. В целях повышения механической прочности и увеличения срока службы рекомендуется применять токоотводы сечением не менее 29 мм2 из круглой стали и 16 мм2 из меди.

Механические воздействия токов молнии обусловливаются ударной волной, распространяющейся от канала молнии, и электродинамическими силами, действующими на проводники с токами молнии. Это воздействие может быть причиной, например, сплющивания тонких металлических трубок и схлестывания проводников. При поражении молнией сооружений из твердого негорючего материала (камня, кирпича, бетона) наблюдаются местные разрушения как результат динамического действия. Наиболее серьезные из них связаны с электрогидравлическими эффектами при разряде молнии. Если между пораженным участком объекта и землей нет токопроводящих путей, его потенциал по отношению к земле достигает высоких значений и возникает пробой (разряд) по пути наименьшей электрической прочности.

Ток молнии, устремляясь в узкие каналы пробоя, вызывает резкое повышение температуры и испарение (взрыв) в них материала. При этом давление достигает значительных величин, что приводит к взрыву (расщеплению) токонепроводящих частей объекта, например расщепление деревянных сооружений и деревьев, разрушение незащищенных кирпичных дымовых труб, башен. При этом степень разрушения определяется не столько током молнии, сколько содержанием влаги или газогенерирующей способностью пораженного материала. Известны случаи частичного или даже полного разрушения бетонных и железобетонных сооружений. Это можно объяснить плохими контактами в местах соединений стальной арматуры. При надежных контактах арматура железобетонных сооружений может служить хорошим токоотводом для молнии, так как имеет большое общее сечение, исключающее опасные повышения температуры.

Электрические воздействия молнии связаны с поражением людей или животных электрическим током и появлением перенапряжений на пораженных элементах объекта. Перенапряжение пропорционально амплитуде и крутизне тока молнии, индуктивности конструкций и сопротивлению заземлителей, по которым ток молнии отводится в землю. Даже при выполнении молниезащиты прямые удары молнии с большими токами и крутизной могут привести к перенапряжениям в несколько мегавольт.

При отсутствии молниезащиты пути растекания тока молнии становятся неконтролируемыми и это может увеличить опасность поражения током людей, опасные напряжения шага и прикосновения, а также перекрытия на другие объекты.

Поэтому опасно укрываться во время грозы под деревьями, особенно высокими или стоящими отдельно, находиться вблизи металлических труб, мачт, молниеотводов, заземлителей и т.п.

Вторичные воздействия молнии

Под вторичными воздействиями молнии подразумеваются явления во время близких разрядов молнии, сопровождающиеся появлением разностей потенциалов на конструкциях, трубопроводах и проводах внутри помещений и сооружений, не подвергающихся непосредственному прямому удару. Они возникают в результате электростатической и электромагнитной индукции. К ним можно отнести также появление разностей потенциалов внутри помещений вследствие заноса высоких потенциалов через надземные и подземные металлические коммуникации (трубопроводы, кабели, воздушные линии).

Электростатическая индукция. Накопление в грозовом облаке и частичное перемещение зарядов в формирующийся канал молнии в ее начальной стадии вызывает скопление связанных зарядов противоположного знака на поверхности земли и наземных объектов. Развитие этих процессов происходит относительно медленно, поэтому перемещение зарядов не вызывает внутри наземных объектов заметных разностей потенциалов, несмотря на высокие сопротивления утечки. В стадии главного разряда освобождение связанных зарядов происходит настолько быстро, что могут возникнуть существенные разности потенциалов между металлическими конструкциями и землей, вызванные протеканием токов через большие сопротивления утечки. Разности потенциалов даже при ударах молнии на расстоянии 100 м от здания могут достигать десятков и сотен киловольт и вызывать искры в воздушных промежутках. Несмотря на малую энергию, искры могут быть причиной взрывов в помещениях со взрывоопасными концентрациями горючих смесей газов, паров и пылей.

На таких устройствах, как провода воздушных линий (электрических линий связи), освободившиеся заряды распространяются в виде волн и создают напряжения  по отношению к земле в десятки и сотни киловольт, способные вызывать в них мощные искровые разряды.

Электромагнитная индукция. Разряд молнии сопровождается появлением в пространстве быстро изменяющегося во времени магнитного поля, индуцирующего ЭДС, способную вызвать искрообразование в контурах из различных протяженных металлических предметов (трубопроводов, воздуховодов, проводов, кабелей). При полностью замкнутом контуре индуцированная ЭДС вызовет электрический ток и небольшое нагревание его элементов, не представляющее, как правило, какой-либо опасности.

Контуры могут быть незамкнутыми или иметь плохие контакты в местах соединений (во фланцах трубопроводов), где ЭДС и может вызвать искрение. Величина электродвижущей силы электромагнитной индукции зависит от параметров тока молнии, размера и конфигурации контура и их взаимного расположения. При расположении канала молнии и контура, как показано на рис. 8.8, напряжение в вольтах на разомкнутых концах контура может быть определено по формуле

Uк = M(diм/dt) = M(Iм/tф),                                     (8.6)

где М = 2c ln[(a+b)/c]10-9 – коэффициент взаимоиндукции между каналом молнии и контуром, Гн (a – расстояние от канала молнии до контура, см; b и с – размеры контура, см).

 

 
  Надпись: c

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 8.8. Положение канала молнии и контура для расчета индуцированных напряжений:

1 – канал молнии; 2 - контур

Значительное число пожаров нефтяных цистерн, резервуаров и складских емкостей обусловлено вторичным (индуцированным) воздействием, а не прямым ударом молнии. Пожары являются результатом искр, генерированных в емкостях с горючими паровоздушными смесями. Для оценки пожаро- и взрывоопасности вторичных воздействий молнии были проведены исследования воспламеняющей способности электрических искр, обусловливаемых электромагнитной индукцией и нагревом мест плохих контактов [3]. Исследования проводились в полевых и лабораторных условиях.

В лабораторных условиях, используя генератор импульсных токов (ГИТ), исследовали величины энергии, рассеиваемой в искрах, возникающих в искровом промежутке вторичного контура, а также характер искрений и нагрев во фланцевых соединениях трубопроводов при протекании по ним импульсных токов.

Сравнение величин этой энергии с минимальной энергией электрических искр, достаточной для воспламенения более 50 различных паро-, газо- и пылевоздушных смесей, показало, что последняя в 5,6 – 14 раз превышает величины минимальной, достаточной для воспламенения даже трудновоспламеняемых пылевоздушных взрывоопасных смесей. Если взять только паро- и газовоздушные смеси, то превышение будет в 102-105 раз, причем оно должно быть еще больше, поскольку параметры разряда молнии значительно превышают те, которые имитировались в разрядах ГИТ. Необходимо учитывать и увеличенные размеры токопроводящих контуров на промышленных объектах по сравнению с экспериментальными.

Для исследования нагрева и искрообразований во фланцевых соединениях токопроводящих контуров при протекании по ним токов молнии или тока, обусловливаемого ЭДС индукции, были проведены два вида опытов как на чистых соединениях, так и с сильной коррозией [3].

 Исследованиями установлено, что ни в одном из рассмотренных случаев какого-либо нагрева фланцевого соединения не наблюдалось, поэтому напрашивается вывод, что как чистые, так и корродированные фланцевые соединения (с точки зрения возможности их нагрева) для взрывоопасных сред никакой опасности не представляют.

Исследование искрообразований проводили на тех фланцевых соединениях, при тех же параметрах разрядного тока ГИТ, что и при опытах нагрева. Опыты с чистым фланцевым соединением на трех, четырех и пяти болтах выявили отсутствие искрений при протекании по нему тока даже с амплитудой 48,2 кА. При одном или двух болтах возникает сильное искрение как из-под шайб соединительных болтов, так и по периметру между фланцами.

Опыты с ржавыми фланцевыми соединениями показали, что в этом случае даже при четырех болтах диаметром 8 мм искрение из-под шайб наблюдается при значительно более низкой амплитуде тока (10,7 кА). При больших величинах тока искрение происходило также и между фланцами. Таким образом, корродированные фланцевые соединения (с точки зрения искрообразования) представляют большую опасность, поэтому в зданиях со взрывоопасной и одновременно химически активной средой, где надлежащий контакт с допустимой величиной переходного сопротивления (0,03 Ом) не может быть обеспечен, необходима установка перемычек из стальной проволоки или шунтирующих устройств.

Заносы высоких потенциалов в здания возможны по рельсовым путям, эстакадам, подземным трубопроводам, кабелям и другим протяженным металлическим коммуникациям и могут сопровождаться мощными электрическими разрядами не только при прямом ударе молнии, но и в том случае, когда эти коммуникации расположены вблизи элементов молниеотводов. Значительное повышение потенциала на молниеотводе при прямом ударе молнии может вызвать перекрытие изоляции по воздуху, земле или дереву на части указанных коммуникаций. Искрообразование внутри взрывоопасных зданий, обусловливаемое заносом высокого потенциала по коммуникациям, является источником взрыва и представляет серьезную опасность для людей.

8.3. КЛАССИФИКАЦИЯ ЗДАНИЙ И СООРУЖЕНИЙ
ПО УСТРОЙСТВУ МОЛНИЕЗАЩИТЫ

Категории молниезащиты

Тяжесть опасных последствий прямого удара молнии при ее термических, механических и электрических воздействиях, а также искрениях и перекрытиях, вызванных другими видами воздействий, зависит от конструктивно-планировочных особенностей зданий и сооружений и пожаро-взрывоопасности технологического процесса. Например, в производствах, постоянно связанных с наличием открытого пламени, при применении несгораемых материалов и конструкций протекание тока молнии не представляет большой опасности. Однако наличие внутри объекта взрывоопасной или пожароопасной среды создает угрозу пожара, разрушений, человеческих жертв, больших материальных убытков.

При таком разнообразии конструктивных и технологических условий предъявлять одинаковые требования к молниезащите всех объектов означало бы или предусматривать чрезмерные излишества, или мириться с неизбежностью значительных убытков, вызванных последствиями поражения молнией. Поэтому в инструкции [2] принят дифференцированный подход к устройству молниезащиты различных объектов, в связи с чем – по устройству молниезащиты здания и сооружения разделены на три категории, отличающиеся по тяжести возможных последствий поражения молнией.

I категория – здания и сооружения или их части с взрывоопасными зонами классов В-I и В-II по Правилам устройства электроустановок (ПУЭ-86). В них хранятся или содержатся постоянно, либо появляются во время производственного процесса смеси газов, паров или пыли горючих веществ с воздухом или иными окислителями, способные взорваться от электрической искры.

II категория – здания и сооружения или их части, в которых имеются взрывоопасные зоны классов В-Iа, В-Iб, В-IIа согласно ПУЭ. В них взрывоопасные смеси могут появляться лишь при аварии или неисправностях в технологическом процессе. К этой категории принадлежат также наружные технологические установки и склады, содержащие взрывоопасные газы и пары, горючие и легковоспламеняющиеся жидкости (газгольдеры, цистерны и резервуары, сливно-наливные эстакады), отнесенные по ПУЭ к взрывоопасным зонам класса В-Iг.

III категория – несколько вариантов зданий, в том числе: здания и сооружения с пожароопасными зонами классов П-I, П-II и П-IIа согласно ПУЭ; наружные технологические установки, открытые склады горючих веществ, где применяются или хранятся горючие жидкости с температурой вспышки паров выше 61 °С или твердые горючие вещества, отнесенные по ПУЭ к зоне класса П-III.

Обязательность устройства молниезащиты

При выборе категории устройств молниезащиты учитывают важность объекта, его высоту, расположение соседних объектов, интенсивность грозовой деятельности и другие факторы. Интенсивность грозовой деятельности характеризуется средним количеством грозовых часов в год nч. Эта величина может быть получена по данным местной метеорологической станции. Кроме того, существует карта [2], на которой нанесены линии средней за год продолжительности гроз на территории России. На ней же приближенно размечены и крупные области, где наблюдается одна и та же грозовая деятельность. Диапазон ее изменения довольно велик и зависит от климатических факторов и рельефа местности. В северных областях (Мурманск, Камчатка) она составляет не более 10 ч в год, для районов на широте 50-55° она колеблется от 20 до 30 ч, а на юге (Кавказ, Донбас) она может достигать 100-200 ч в год. Да и в пределах одного района с низкой грозовой активностью встречаются участки с резко повышенным числом грозовых часов в год.

Иногда оценка грозовой деятельности измеряется количеством грозовых дней в году nд. Принято считать продолжительность грозы приблизительно равной 1,5 ч, если nд = 30 дням, и 2 ч, когда nд больше 30 дней. Следовательно, nч = (1,5-2) nд.

Однако более важной и информативной характеристикой для оценки возможного числа поражений объектов молнией является плотность ударов нисходящих молний на единицу земной поверхности.

Плотность ударов молнии в землю сильно колеблется по регионам земного шара и зависит от тех же факторов, что и интенсивность гроз. Особенно велико влияние рельефа в горной местности, где грозовые фронты распространяются преимущественно по узким коридорам.

Наблюдениями установлена корреляционная связь между плотностью разрядов в землю и продолжительностью гроз. Эта корреляционная зависимость распространена на всю территорию Россию и связывает число ударов нисходящей молнии в 1 км2 земной поверхности с конкретной продолжительностью гроз в часах. Для произвольного пункта на территории России удельная плотность ударов молнии в землю n определяется, исходя из средней продолжительности гроз в часах, следующим образом:

 

Средняя продолжительность гроз, ч

10-20

20-40

40-60

60-80

80-100

100
и более

Удельная плотность ударов молнии в землю, 1/(км2×год), n

1

2

 

Используя значения n, можно определить ожидаемое количество поражений молнией в год N:

для зданий и сооружений прямоугольной формы

N = [(S+6hx)(L+6hx)-7,7h2x]n10-6;                             (8.7)

для сосредоточенных зданий и сооружений (дымовые трубы, вышки, башни)

N = 9h2xn10-6,                                              (8.8)

где hx – наибольшая высота здания или сооружения, м; S и L – соответственно ширина и длина здания или сооружения, м; n - среднегодовое число ударов молнии в 1 км2 земной поверхности (удельная плотность ударов молнии в землю).

Если здание имеет сложную конфигурацию, то при расчете по формуле (8.7) в качестве S и L принимается ширина и длина наименьшего прямоугольника, в который может быть вписано здание или сооружение в плане. Принято считать, что молнии попадают в здание или сооружение в пределах территории, контур которой удален от контура сооружения на три его высоты.

Оценивая по формулам (8.7) и (8.8) число поражений молнией объектов разных размеров и форм, например, можно видеть, что при средней продолжительности гроз 40-60 ч в год для здания высотой 20 м и размерами в плане 100´100 м можно ожидать не более одного поражения за 5 лет, для сосредоточенного объекта высотой 50 м можно ожидать не более одного поражения за 3-4 года.

Таким образом, при умеренных размерах зданий и сооружений (высота 20-50 м, длина и ширина примерно 100 м) поражение их молнией является редким событием.

Удельную плотность ударов молнии в землю n в месте дислокации объекта можно приближенно определить по формуле [31]

n = 0,23nд1,3.                                              (8.9)

На всей территории России здания и сооружения I категории должны быть обязательно защищены от прямых ударов молнии, электростатической и электромагнитной индукции и заноса в них высокого потенциала через наземные и подземные коммуникации, а молниеотводы должны предусматриваться с зонами защиты А. В районах с очень малой интенсивностью грозовой деятельности вероятность удара в здание I категории очень мала, но материальный ущерб может быть велик, и затраты на молниезащиту в этом случае вполне оправданы.

Здания и сооружения II категории должны быть защищены от прямых ударов молнии, вторичных ее воздействий и заноса в них высоких потенциалов через наземные и подземные коммуникации только в местностях со средней продолжительностью гроз nч ³ 10. Тип зоны защиты молниеотводов зависит от показателя N: зона типа А принимается при N > 1, а зона типа Б – при N £ 1. Наружные технологические установки класса В-1г, относимые также ко II категории, подлежат защите от прямых ударов молнии на всей территории России, а молниеотводы предусматриваются с зонами типа Б. Некоторые из этих установок подлежат защите и от электростатической индукции (резервуары с плавающими крышами или понтонами).

Здания и сооружения III категории (с зонами классов П-I, П-II, П-IIа) подлежат молниезащите в местностях со средней продолжительностью гроз 20 и более часов в год, а тип зоны защиты молниеотводов зависит от степени огнестойкости здания. Например, зона типа Б требуется для зданий и сооружений I и II степени огнестойкости  при 0,1 < N £ 2, а для III, IV и V степени огнестойкости при 0,02 < N £ 2; при N > 2 необходима зона типа А. Для наружных установок класса П-III молниезащита предусматривается при средней продолжительности гроз 20 и более часов в год при зоне защиты типа Б, если 0,1 < N £ 2; при N > 2 – зона типа А.

Все здания и сооружения III категории должны быть защищены от прямых ударов молнии и заноса высоких потенциалов через наземные металлические коммуникации, а наружные установки должны быть защищены только от прямых ударов молнии. Таким образом, обязательность устройства молниезащиты зданий или сооружений I, II и III категории
определяется средней продолжительностью гроз nч и ожидаемым количеством поражений N молнией в год. При несовпадении одного из этих показателей с величинами по нормам [2] устройство молниезащиты становится необязательным.

Требования к устройствам молниезащиты

Молниезащита представляет собой комплекс мероприятий, направленных на предотвращение прямого удара молнии в объект или на устранение опасных последствий, связанных с прямым ударом; к этому комплексу относятся также средства защиты, предохраняющие объект от вторичных воздействий молнии и заноса высокого потенциала. К основным требованиям могут быть отнесены: соответствие молниезащиты категории здания  характеру производственного процесса в здании, сооружении, на всем объекте; возможность типизации  конструктивных элементов молниезащиты; надежность действия всех ее элементов и «равнопрочность» их в этом отношении; большой срок службы, достигающий десятка и более лет; возможность применения недорогостоящих материалов и использования конструктивных элементов здания и сооружения; наглядность монтажа, предупредительные и воспрещающие знаки или ограждения, т.е. создание условий безопасности для персонала объекта или посторонних людей; сравнительно несложная эксплуатация и доступность ко всем элементам при контроле, восстановлении или ремонте.

Кроме того, при выполнении молниезащиты зданий и сооружений всех категорий для повышения безопасности людей следует размещать заземлители (кроме углубленных) в редко посещаемых местах (на газонах, кустарниках), в удалении на 5 и более метров от основных грунтовых, проезжих и пешеходных дорог, располагать под асфальтовыми покрытиями, устанавливать предупреждающие плакаты. Токоотводы следует прокладывать в малодоступных местах, чтобы люди не могли к ним прикоснуться.

Для снижения опасности шаговых напряжений рекомендуется применять углубленные и рассредоточенные заземлители в виде лучей. При ширине зданий и сооружений более 100 м необходимо выполнять мероприятия по выравниванию потенциала внутри здания. При устройстве молниезащиты зданий и сооружений любой категории следует учитывать возможность экранирования их зонами защиты молниеотводов других близкорасположенных зданий и сооружений. При этом следует максимально использовать естественные молниеотводы (вытяжные трубы, водонапорные башни, дымовые трубы, линии электропередач и другие возвышающиеся сооружения).

Для нестандартных объектов, молниезащиту которых не удается осуществить по типовым рекомендациям [2], должны быть определены те воздействия, которые представляют наибольшую опасность, а затем на основе технико-экономического анализа выбрать для них необходимые оптимальные меры защиты. В ряде случаев, особенно для объектов новой технологии, может оказаться решающей не стоимость устройств молниезащиты, а их совместимость с технологическими функциями объекта, поэтому иногда важно рассматривать вопросы молниезащиты не в процессе строительства объекта, а на стадии его проектирования, когда имеется возможность путем малых затрат и несущественных изменений повысить грозоупорность объекта и возложить хотя бы частично функции молниезащиты на его конструктивные элементы.

В практике проектирования и эксплуатации молниезащиты следует учитывать определенных размеров зоны взрывоопасности, так как  многие здания, сооружения и наружные установки химических, нефтехимических, нефтеперерабатывающих и ряда других предприятий имеют устройства постоянного или периодического выброса в окружающее пространство горючих газов и паров жидкостей. Эти технологические выбросы, связанные с нормальным или аварийным режимом работы аппаратов и установок, происходят через постоянно или периодически действующие воздушки, свечи, газоотводные трубы, по специальным аварийным стравливающим линиям, а также через дыхательные и предохранительные клапаны. Значительное количество этих выбросов производится локальными механическими и естественными вентиляционными системами зданий. На отдельных объектах химической промышленности насчитывается до нескольких сотен воздушек. Перечисленные устройства располагаются, как правило, на зданиях, наружных установках, рабочих площадках и этажерках, в виде отдельно стоящих труб-свечей высотой более 30 м.

Большие потери наблюдаются от испарения нефтепродуктов с высокой упругостью паров и сырой нефти при их хранении и при различных операциях, связанных с загрузкой и выгрузкой емкостей. При этом продукты испарения, вытесняемые из наполняемых железобетонных резервуаров через дыхательные клапаны и неплотности крыши в атмосферу, при определенных технологических режимах и метеорологических условиях создают на прилегающей территории взрывоопасные зоны значительных размеров (10-40 м). Во многих случаях горючие продукты (газы и пары) выбрасываются либо в чистом виде, особенно при аварийных стравливаниях из аппаратов, либо в смеси с воздухом в границах концентрированных пределов взрыва (при выбросе газо- и паровоздушных смесей из дыхательных труб, воздушек), поэтому около таких устройств выброса также могут создаваться зоны взрывоопасности.

Непосредственный контакт канала молнии или нагретых до высокой температуры частей молниезащитных устройств с этой зоной может
привести к воспламенению, взрыву и разрушениям, поэтому вопросы молниезащиты зданий и наружных установок должны решаться с учетом возможных зон взрывоопасности, которые будут влиять на выбор схемы и типа молниезащитного устройства, мест их расположения, необходимого удаления и превышения зон защиты молниеотводов над устройством выброса. В практике проектирования молниезащиты встречались случаи, когда наличие большого количества газоотводных труб и вентиляционных устройств приводило к отказу от защиты зданий II категории молниеотводами, располагаемыми на них, и сооружались отдельно стоящие молниеотводы.

Трудности, возникающие при решении вопросов молниезащиты с учетом зон взрывоопасности, объяснялись, с одной стороны, весьма противоречивыми указаниями в литературных и нормативных источниках, с другой – отсутствием каких-либо исследований распределения взрывоопасных концентраций и зон. Все это приводило к усложнению и чрезмерному удорожанию молниезащитных устройств,  применению недостаточно надежного и безопасного варианта молниезащиты. В связи с этим были проведены некоторые исследования распределений концентраций горючих смесей при непрерывном выбросе их в атмосферу [3].

8.4. МОЛНИЕОТВОДЫ

Средством защиты от прямых ударов молнии служит молниеотвод – устройство, рассчитанное на непосредственный контакт с каналом молнии и отводящее ее ток в землю.

Конструктивное выполнение молниеотводов

Здания и сооружения от прямых ударов защищают молниеотводами, каждый из которых конструктивно состоит из молниеприемника, непосредственно воспринимающего удар молнии, токоотвода, соединяющего молниеприемник с заземлителем, и заземлителя, через который ток молнии стекает в землю. Вертикальная конструкция (столб, мачта) или часть сооружения, предназначенная для закрепления молниеприемника и токоотвода, называется опорой молниеотвода.

Опоры стержневых и тросовых молниеотводов, как отдельно стоящих, так и устанавливаемых на защищаемом объекте, могут быть деревянными, металлическими и железобетонными (рис. 8.9).

Деревянная опора обычно состоит из основной стойки и пасынков, выполненных из дерева или железобетона (последние предпочтительнее). Деревянные части, особенно подземные, антисептируют. Высота такого молниеотвода редко превышает 25 м. В землю опора зарывается на 0,1–0,2 ее полной высоты в зависимости от грунта. Для опор используют древесину хвойной породы (сосна, лиственница, ель, пихта). Диаметр бревна в верхнем срубе должен быть не менее 100 мм.

 

 
  Надпись: 25000Надпись: 5000Надпись: 5000Надпись: 5000Надпись: 5000Надпись: 5000Надпись: 20Надпись: 2,0Надпись: 23Надпись: 2,5Надпись: 10000Надпись: 15Надпись: 2,0Надпись: 2,0Надпись: 9

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 8.9. Конструкции стержневых молниеотводов и молниеприемников:

а – на деревянной опоре; б – металлический решетчатый типа М-25; в – на железобетонной опоре;
г – молниеприемник из металлических труб, установленных на крыше; 1 – опора (стойка);
2 – молниеприемник; 3 – подножник; 4 – токопровод (спуск); 5 – фланец; 6 – оттяжка

 

Опоры высотой более 8-10 м выполняют на одном или двух пасынках (рис. 8.9, а), высота которых зависит от высоты молниеотвода. Для увеличения срока службы деревянных опор рекомендуется применять железобетонные пасынки, особенно в грунтах, где процесс гниения наиболее интенсивен (в суглинках). Железобетонные пасынки изготовляют из бетона марки не ниже М200, армированного круглой сталью марки Ст 3 или Ст 5. В поперечнике пасынки могут быть прямоугольного двутаврового, круглого и других сечений.

Металлическую опору для молниеотвода высотой 20-75 м (рис. 8.9, б) чаще всего выполняют в виде жесткой решетчатой конструкции. Ее устанавливают на четырех железобетонных подножниках, наверху к ней приваривают молниеприемник и предохраняют от коррозии регулярной окраской. Такой молниеотвод не требует специального токоотвода, так как сам хорошо проводит ток.

Железобетонные опоры могут быть различной формы (рис. 8.9, в), арматура в них частично или полностью предварительно напряженная. Бетон может быть вибрированным или центрифугированным. На вершине опоры устанавливают молниеприемник и соединяют с токоотводом, который прокладывают по опоре. В некоторых случаях молниеприемник соединяют с арматурой, используемой в качестве токоотвода. Но именно эти места оказываются нередко ненадежными, так как требуется либо вывод части арматуры наружу, либо пропуск в нее соединительных проводников. На этих участках постепенно начинается разрушение, особенно в прибрежных районах морей. Железобетонные опоры экономически более выгодны, они проще в эксплуатации и долговечны. Опоры стержневых молниеотводов должны быть рассчитаны на механическую прочность как свободно стоящие конструкции, а опоры тросовых молниеотводов – с учетом натяжения троса и действия на него ветровой и гололедной нагрузки.

Молниеотводы, устанавливаемые на сооружении, делятся на настенные и кровельные. Первые применяют чаще, их молниеприемники изготавливают из трубы или угловой стали и закрепляют посредством скоб, хомутов или кронштейнов. Молниеприемники кровельные (рис. 8.9, г) чаще всего выполняют из труб разного диаметра и снабжают фланцами для крепления к крыше при помощи болтов. Дополнительная устойчивость достигается посредством оттяжек из полосовой или угловой стали. Высота таких молниеприемников колеблется от 5 до 10 м. Опорами стержневых молниеотводов могут служить стволы деревьев, растущих вблизи защищаемых зданий и сооружений. При этом если дерево находится на расстоянии менее 5 м от зданий и сооружений III, IV и V степени огнестойкости (II и III категория молниезащиты), то необходимо по стене защищаемого здания против ствола проложить токоотвод и присоединить под землей к заземлителю или же от молниеприемника токоотвод перебросить на другое дерево, на отдельную стойку, отстоящие от здания более чем на 5 м. Если дерево невысокое, то на него устанавливают шест с молниеприемником, это удешевляет молниезащиту. Кроме того, деревья создают дополнительное экранирование от заряженного облака.

Для тросовых молниеотводов можно использовать те же опоры, но требуется иногда повышать их устойчивость оттяжками или подкосами. Выбор того или иного материала опор обуславливается в основном необходимой высотой молниеотводов, расчетными механическими нагрузками, а также экономическими соображениями. Следует также учитывать их сочетание с архитектурой защищаемого объекта, климатическими условиями.

Молниеприемники стержневые, тросовые и в виде сетки непосредственно воспринимают прямой удар молнии и должны выдерживать ее термическое и динамическое воздействия, быть надежными в эксплуатации.

Стержневые молниеприемники изготовляются из покрытой антикоррозийной защитой (оцинкование, лужение, покраска) круглой и угловой стали или из некондиционных водогазопроводных труб. Конец трубы сплющивают или надежно закрывают металлической пробкой. Наименьшее сечение молниеприемника должно быть 100 мм2 (это позволяет выдержать термические и динамические воздействия тока молнии), а длина не менее 200 мм.

В качестве молниеприемников можно использовать дымовые, выхлопные и другие металлические трубы объекта, дефлекторы (если они не выбрасывают горючие пары и газы), кровлю и другие металлические элементы сооружений.

Применяют молниеприемники и в виде сетки, сваренной из круглой стали диаметром 6-8 мм или полосовой стали сечением не менее 48 мм2, уложенных на кровлю под гидро- или теплоизоляцию (если они несгораемые). Это не затруднит отток воды с кровли и очистку от снега. Шаг ячейки берут 6´6 м для зданий II категории, а для зданий III - 12´12 м.

Однако укладка сеток рациональна лишь в 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 участках укладка сетки по всей поверхности кровли приведет к неоправданным затратам металла. В этом случае более экономичен вариант установки стержневых или тросовых молниеприемников, в зону защиты которых входит весь объект. По этой причине укладка молниеприемной сетки рекомендуется на неметаллических кровлях с уклоном не более 1:8.

Иногда возвышающиеся элементы кровли снабжают молниеприемниками, соединенными с сеткой посредством сварки. На деревьях молниеприемником может служить выступающий конец токоотвода в виде петли на участке до 400 мм от верхней точки. Тросовый молниеприемник выполняют из стального многопроволочного и только оцинкованного троса диаметром до 7 мм (сечение не менее 35 мм2).

Токоотводы молниеотводов применяют для соединения молниеприемников с заземлителями из стали любого профиля. Их рассчитывают на пропускание полного тока молнии без нарушений и существенного перегрева. Они должны быть оцинкованы, пролужены или окрашены для предупреждения коррозии. Не рекомендуется применять многопроволочный стальной трос, если у него не оцинкована каждая нить. Наименьшее сечение токоотводов, выполненных из угловой и полосовой стали и расположенных вне сооружения на воздухе, равно 48 мм2, для расположенных внутри – 24 мм2, а круглые токоотводы должны иметь наименьший диаметр 6 мм. Токоотводами могут служить арматура железобетонных конструкций, направляющие лифтов, пожарные лестницы, водопроводные, водосточные и канализационные трубы, колонны, стенки резервуаров, электрически надежно связанные по всей длине.

Надпись:          6Надпись:     6Надпись:   Æ6-8Надпись:  30Соединения токоотводов, специальных и естественных, должны быть сварными (внахлест). Количество их необходимо резко ограничить. Болтовые соединения допускают только для объектов с III категорией устройства молниезащиты и тогда их не окрашивают, а лудят. С заземлителями токоотводы соединяют только сваркой, и площадь контакта во всех случаях не менее двух площадей сечения деталей, а длина – около шести диаметров проволоки или двойной ширины полосы или полки уголка. Если токоотводы присоединяют к отдельным заземлителям и они электрически связаны друг с другом, то на высоте около 1,5 м от поверхности земли устанавливают надежный болтовой зажим, позволяющий отсоединить токоотвод для контроля заземлителя (рис. 8.10). Токоотводы от молниеприемников прокладывают кратчайшим путем к заземлителю. От входов в здания их нужно располагать на таком расстоянии, чтобы с ними не могли соприкасаться люди. Необходимо избегать острых углов и тем более петель в токоотводе, так как значительные электродинамические усилия при больших токах молнии могут разорвать его на этих участках или вызвать искровое перекрытие между ближайшими точками петли. Металлическая кровля, короба и трубы могут быть соединены с токоотводами болтовыми зажимами (рис. 8.11).

 

 
  Надпись:    30Надпись:    80

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 8.11. Зажим для присоединения плоского (а) и круглого (б) токоотводов к металлической кровле:

1 – токоотвод; 2 – кровля; 3 – свинцовая прокладка; 4 – стальная пластина;
5 – пластина с приваренным токоотводом

 

Заземляющие устройства являются важнейшим элементом в комплексе средств обеспечения защиты объектов от прямого удара молнии, заноса высоких потенциалов по коммуникациям и электростатической индукции. Основной частью их являются собственно заземлители, находящиеся в достаточно хорошо проводящей среде.

Заземлитель молниезащиты – один или несколько заглубленных в землю проводников, предназначенных для отвода в землю токов молнии или ограничения перенапряжений, возникающих на металлических корпусах, коммуникациях при близких разрядах молнии. Они бывают одиночными (простыми) или сложными (комбинированными). К первым относятся трубы, электроды из круглой, полосовой, угловой и листовой стали, железобетонные подножки и сваи, а сложные образуются из комбинаций простых. Одиночные делятся на сосредоточенные и протяженные. У первых потенциал практически по длине не изменяется, у вторых потенциалы начала и конца отличаются друг от друга вследствие большой длины электродов, малого их сечения, высокого удельного сопротивления материалов или высокой удельной проводимости грунта.

Еще различают искусственные и естественные заземлители.

Искусственные заземлители – специально проложенные в земле контуры из полосовой или круглой стали, сосредоточенные конструкции, состоящие из вертикальных и горизонтальных проводников.

Естественные заземлители – заглубленные в землю металлические и железобетонные конструкции зданий и сооружений.

Заземлители могут быть поверхностными и углубленными. Последние обычно изготовляют из круглой или полосовой стали и укладывают в глубокие котлованы или траншеи, чаще всего по периметру фундамента, если последний не может быть использован в качестве естественного заземлителя. Наконец, существуют вертикальные заземлители (обычно стержни из круглой или угловой стали и трубы, железобетонные подножники и сваи, забиваемые в землю, реже – стальные круглые стержни, ввинченные в грунт) и горизонтальные, изготовленные из любой профильной стали, закапываемые неглубоко в грунт.

Вертикальные заземлители более эффективны, так как большая их часть располагается во влажных и менее промерзающих слоях почвы. Их длину берут от 2 до 5 м и применяют в глинистых или смешанных грунтах с удельным сопротивлением r менее 300 Ом×м и при сравнительно высоком уровне грунтовых вод. Если же верхние слои почвы обладают высоким r и этот уровень низок, то длину электродов увеличивают до 4-6 м. Наиболее употребительны и удобны заземлители из круглой стали диаметром 12-30 мм, угловой с шириной полок 40-50 мм, толщиной не менее 4 мм и трубы (чаще всего некондиционные или непригодные к дальнейшему использованию по назначению) с наружным диаметром 25-60 мм и толщиной стенки не менее 3,5 мм. Верхний конец вертикальных заземлителей располагают от поверхности земли на 0,5-1 м. На этом уровне высыхание или промерзание грунта затруднено.

Горизонтальные заземлители используют в грунтах с длительно влажными верхними слоями, где трудно забивать вертикальные электроды (гористая местность, районы вечной мерзлоты). Если грунт обладает плохой проводимостью (песок), то траншею для горизонтальных заземлителей заполняют другим грунтом, удобренным солями или их растворами. Для электродов берут преимущественно полосовую сталь сечением не менее 160 мм2 (40´4 мм) и реже круглую сталь эквивалентного сечения. Электроды укладывают на глубину 0,6-0,8 м в виде одного или нескольких симметричных лучей, длина каждого из них, считая от токоотвода, обычно не превышает 25-30 м. Чем больше удельное сопротивление грунта, тем больше длина луча и их число. Электроды любого типа соединяют между собой и с токоотводами только сваркой.

Конструкция заземлителя зависит от типа молниеотвода, т.е. отдельно стоящего или установленного на здании.

При отдельно стоящих молниеотводах приемлемыми, без расчета их импульсного сопротивления растеканию тока молнии rи, являются типовые конструкции заземлителей, приведенные в табл. 8.1 (см. также [2]).

Таблица 8.1

№ п/п

Заземлитель

Эскиз

Размеры, м

1

Железобетонный подножник

Надпись: l

 

 

 

 

 

 

 

 

a ³ 1,8

b ³ 0,4

l ³ 2,2

2

Железобетонная свая

Надпись: l

 

 

 

 

 

 

 

 

 

d = 0,25¸0,4

l ³ 5

3

Стальной двухстержневой: полоса размером 40´4 мм стержни диаметром = 10¸20 мм

Надпись: lНадпись: t

 

 

 

 

 

 

t ³ 0,5

l = 3¸5

c = 3¸5

4

Стальной трехстержневой: полоса размером 40 х 4 мм стержни диаметром d = 10 ¸ 20 мм

Надпись: tНадпись: l

 

 

 

 

 

 

t ³ 0,5

l = 3¸5

c = 5¸6

 

 

При расположении молниеотвода на защищаемом здании в качестве заземлителей рекомендуется широко использовать железобетонные фундаменты зданий и сооружений.

Металлические и железобетонные конструкции зданий I категории по устройству молниезащиты могут быть использованы только для защитного заземления электроустановок и защиты от вторичных воздействий молнии. Для зданий II и III категории металлические и железобетонные конструкции используются и для защиты от прямых ударов молнии. Устройство молниезащиты зданий в железобетонном исполнении включает молниеприемную сетку, соединяемую сваркой с арматурой всех колонн. Ток
молнии через нее попадает на арматуру колонн, затем стекает на арматуру фундамента и через защитный слой бетона – в землю.

Основанием для использования арматуры железобетонных фундаментов в качестве заземлителей являются свойства бетона во влажном состоянии иметь проводимость, сопоставимую с проводимостью грунта, окружающего фундамент. При этом выполняются условия сохранения несущей способности здания и исключаются условия разрушения арматурных стержней и бетона от электрической коррозии, что обеспечивается уменьшением плотности тока, стекающего с арматуры фундамента, и ограничением его стекания через бетон в надземных конструкциях. Указанные меры включают объединение в единую систему всех железобетонных (или металлических) конструкций, соединение с помощью сварки всех элементов арматурного каркаса и создание непрерывной электрической цепи по арматуре.

Битумные и битумно-латексные покрытия фундаментов не являются препятствием для использования их в качестве заземлителей.

В средне- и сильноагрессивных грунтах, где защита железобетона от коррозии выполняется эпоксидными и другими полимерными покрытиями, а также при влажности грунта менее 3 % использовать железобетонные фундаменты в качестве заземлителей не допускается.

При использовании в качестве заземляющих устройств все элементы металлических и железобетонных конструкций (фундаменты, колонны, фермы, стропильные, подстропильные и подкрановые балки) должны образовывать непрерывную электрическую цепь по металлу, а в железобетонных элементах (колоннах) дополнительно должны предусматриваться закладные детали (изделия) для присоединения электротехнического и технологического оборудования.

В качестве заземлителей молниезащиты допускается использовать все рекомендуемые ПУЭ заземлители электроустановок, за исключением нулевых проводов воздушных линий электропередачи напряжением до 1 кВ.

Нормирование заземлителей молниезащиты. Принятый в инструкции [2] подход к нормированию и выбору заземлителей молниезащиты зданий и сооружений учитывает, что одним из эффективных способов ограничения грозовых перенапряжений в цепи молниеотвода, а также на металлических конструкциях и оборудовании объекта является обеспечение низких сопротивлений заземлителей растеканию в земле токов молнии. Поэтому при выборе молниезащиты нормированию подлежит сопротивление заземлителя или другие его характеристики, связанные с его сопротивлением.

До введения в нормативную практику [2] для заземлителей молниезащиты нормировалось импульсное rи сопротивление растеканию токов молнии: его максимально допустимое значение было принято равным 10 Ом для зданий и сооружений I и II категорий и 20 Ом для зданий и сооружений III категории. При этом допускалось увеличение импульсного сопротивления до 40 Ом в грунтах с удельным сопротивлением более 500 Ом×м при одновременном удалении молниеотводов от объектов I категории на расстояние, гарантирующее от пробоя по воздуху и в земле. Для наружных установок максимально допустимое импульсное сопротивление было принято не более 50 Ом.

Импульсное сопротивление заземлителя является количественной характеристикой сложных физических процессов при растекании в земле токов молнии. Его значение отличается от сопротивления заземлителя при растекании токов промышленной частоты и зависит от нескольких параметров тока молнии (амплитуда, крутизна, длина фронта), варьирующихся в широких пределах. С увеличением тока молнии импульсное сопротивление заземлителя падает, причем в возможном интервале распределение токов молнии (от единиц до сотен килоампер) его значение может уменьшаться в 2-5 раз.

Поскольку при проектировании заземлителя нельзя предсказать значения токов молнии, которые будут через него растекаться, то, следовательно, невозможно оценить наперед соответствующие значения импульсных сопротивлений. С учетом этих условий нормирование заземлителей по их импульсному сопротивлению имеет очевидные неудобства. Разумнее выбирать конкретные конструкции (см. табл. 8.1) по следующему условию: импульсные сопротивления заземлителей во всем возможном диапазоне токов молнии не должны превышать указанных максимально допустимых значений.

Такое нормирование было принято в инструкции [2], где для ряда типовых конструкций заземлителей (см. табл. 8.1) были подсчитаны импульсные сопротивления при колебаниях токов молнии от 5 до 100 кА и по результатам расчетов проведен отбор заземлителей, удовлетворяющих принятому условию.

Наиболее распространенными и рекомендуемыми конструкциями заземлителей являются железобетонные фундаменты. К ним предъявляются дополнительные требования - исключение механических разрушений бетона при растекании через фундамент токов молнии. Исследования показали, что железобетонные конструкции выдерживают большие плотности растекающихся по арматуре токов молнии, что связано с кратковременностью этого растекания. Так, единичные железобетонные фундаменты (сваи длиной не менее 5 или подножники длиной не менее 2 м) способные без разрушения выдерживать токи молнии до 100 кА. Поэтому в табл. 8.1 заданы допустимые размеры единичных железобетонных заземлителей. Для фундаментов больших размеров с соответственно большей поверхностью арматуры опасная для разрушения бетона плотность тока маловероятна при любых возможных токах молнии.

Нормирование параметров заземлителей по их типовым конструкциям имеет ряд достоинств: оно соответствует принятой в строительной практике унификации железобетонных фундаментов с учетом их повсеместного  использования в качестве естественных заземлителей; при выборе молниезащиты не требуется выполнять расчеты импульсных сопротивлений заземлителей, что сокращает затраты и объем проектных работ.

Опасность поражения током молнии. При растекании тока с заземлителя или с любого другого подземного металлического предмета в грунте образуется потенциальное (электрическое) поле. Распределение потенциала на поверхности земли при протекании тока молнии через трубчатый заземлитель показано на рис. 8.12. Оно зависит от геометрических размеров электрода, способа его установки, но не зависит от электрических свойств однородного грунта. На небольших удалениях от оси трубы потенциал уменьшается резко, после чего уменьшение делается более плавным. Считают, что на расстоянии x более 20 l потенциал на поверхности земли равен нулю. Наибольший потенциал появляется на самом заземлителе и он равен .

 

 
  Надпись: Uш = U1+U2Надпись: Uпр = Uм-U3Надпись: U1Надпись: U2Надпись: U3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 8.12. Изменение потенциала на поверхности земли
у заземлителя при растекании тока молнии

Если вблизи заземлителя будет находиться человек и расстояние между его ступнями равно S, то он подвергается действию шагового напряжения Uш, равного разности потенциалов U1 и U2 в точках 1 и 2, где находятся ступни. Это может быть опасным для жизни. Еще более опасно, если одна нога окажется непосредственно на заземлителе или человек прикоснется к заземлителю. Тогда он подвергается большей разности потенциалов, равной Uм-U3 , и называемой напряжением прикосновения Uпр.

Снижения шагового напряжения и напряжения прикосновения можно добиться уменьшением сопротивления rи до значения ниже 10 Ом, что довольно трудно, и применением параллельно включенных добавочных электродов, выравнивающих потенциал внутри и вне контура заземлителей. Рациональным распределением вертикальных заземлителей, расположенных по контуру или лучам, и связывающих их горизонтальных электродов можно добиться безопасного распределения потенциала по любому направлению от точки присоединения токоотвода. Для безопасности рекомендуется ограждать или во время грозы не допускать людей к заземлителям ближе 5 м, располагать эти заземлители дальше от дорог, тротуаров или располагать под асфальтовым покрытием.

Зоны защиты молниеотводов

Защитное действие молниеотводов основано на свойстве молнии поражать наиболее высокие и хорошо заземленные металлические сооружения. Во время лидерной стадии разряда на вершине молниеотвода скапливаются заряды, создающие на ней очень большие напряженности электрического поля, куда и направляется разряд. Развитие с молниеотвода встречного лидера еще более усиливает напряженность поля в направлении лидера молнии и окончательно предопределяет ее удар в молниеотвод.

Защитное действие молниеотвода характеризуется вероятностью прорыва молнии. Под этой вероятностью понимают отношение числа разрядов молнии в защищаемой объект к общему числу разрядов в систему молниеотвод-объект. При анализе поражения молниями различных сооружений [31] было установлено, что вероятность прорыва молнии к объекту снижается по мере сокращения расстояний между молниеотводом и объектом. Однако определение вероятности прорыва для каждого конкретного сооружения - задача достаточно сложная, поэтому в проектной практике широко пользуются зонами защиты молниеотводов.

Под зоной защиты понимают пространство в окрестности молниеотвода, характеризующееся тем, что вероятность прорыва молнии к любому объекту внутри зоны не превышает некоторой достаточно малой величины. Конфигурация и размеры зон защиты получены на основе модельных экспериментов и расчетов [31] и было предложено два типа зон защиты: зона типа А, обладающая степенью надежности 99,5 % и выше, и типа Б – 95 % и выше. Степень надежности защиты объекта в любом случае возрастает, когда объект удается расположить в глубине зоны защиты молниеотводов.

По типу молниеприемников молниеотводы делятся на стержневые, тросовые и сеточные; по количеству и общей зоне защиты – на одиночные, двойные и многократные. Кроме того, различают молниеотводы отдельно стоящие, изолированные и не изолированные от защищаемого здания. Чаще используют стержневые молниеотводы. Ниже дается методика построения и расчета зон защиты для молниеотводов высотой до 150 м [2], которые преимущественно поражаются нисходящими молниями.

 

 
  Надпись:   hх Надпись:  h0 Надпись:  h

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 8.13. Зона защиты одиночного стержневого молниеотвода

 

При одиночном стержневом молниеотводе зона защиты (при h £ 150 м) представляет собой конус (рис. 8.13). Вершина конуса находится на высоте hh. На уровне земли зона защиты образует круг радиусом R0. Горизонтальное сечение зоны защиты на высоте защитного уровня сооружения hх представляет собой круг радиусом Rх. Эти величины определяются следующим образом.

Зона типа А:

h0 = 0,85h;                                             (8.10)

R0 = (1,1-0,002h)h;                                      (8.11)

Rx = (1,1-0,002h)(h-hx/0,85).                              (8.12)

Зона типа Б:

h0 = 0,92h;                                            (8.13)

R0 = 1,5h;                                             (8.14)

Rx = 1,5(h-hx/0,92),                                     (8.15)

где Rx и hx определяются по закону подобия треугольников.

Для зоны типа Б высота молниеотвода при известных величинах Rx и hx может быть определена по формуле

h = (Rx+1,63hx)/1,5.                                    (8.16)

Надпись:  hНадпись:  h0Надпись:  hcНадпись:    hсНадпись:    Rсх 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 8.14. Зона защиты двойного стержневого молниеотвода

 

Двойной стержневой молниеотвод (рис. 8.14). Торцевые части зоны защиты определяются как зоны одиночных стержневых молниеотводов. Значения h0, R0,  и  определяются по формулам (8.10) ¸ (8.16) для обоих типов зоны защиты. Другие величины этой зоны:

Зона типа А (существует при L £ 4h):

при L £ h

hc = h0 Rcx = Rx Rc = R0;                              (8.17)

при h < L £ 2h

hc = h0-(0,17+3×10-4×h)(L-h);                              (8.18)

Rc = R0;                                              (8.19)

Rcx = R0(hc-hx)/hc;                                      (8.20)

при 2h < L £ 4h

hc = h0-(0,17+3×10-4×h)(L-h);                              (8.21)

Rc = R0[1-0,2(L-2h)/h];                                  (8.22)

Rcx = R0(hc-hx)/hc.                                      (8.23)

Зона типа Б (существует при L £ 6h):

при L£h

hc = h0 Rcx = Rx Rc = R0;                             (8.24)

при h < L £ 6h

hc = h0-0,14(L-h).                                      (8.25)

Величины Rс и Rсх определяются по формулам (8.19) и (8.20) соответственно. При известных hс, L и Rcx = 0 высота молниеотвода для зоны типа Б определяется по формуле

h = (hс-0,14L)/1,06.                                    (8.26)

Если стержневые молниеотводы находятся на расстоянии L > 4h и > 6h, их надо рассматривать как одиночные.

Двойной стержневой молниеотвод разной высоты (рис. 8.15). Торцевые части также представляют собой зоны защиты одиночных стержневых молниеотводов соответствующей высоты, а , , , ,  и  вычисляются по формулам (8.108.16) для обоих типов зон. Остальные размеры зоны определяются по формулам

Rcx=Rс(hc-hx)/hc;                                      (8.27)

Rc=(+)/2;                                       (8.28)

hc=(+)/2,                                        (8.29)

где  и  для обоих типов зон защиты вычисляются по формулам (8.17), (8.18), (8.21), (8.24), (8.25).

Для разновысокого двойного стержневого молниеотвода зона защиты типа А существует при L £ 4h1, а зона Б – при L £ 6h1. При  соответствующих больших расстояниях между молниеотводами они рассматриваются как одиночные.

Многократный стержневой молниеотвод. Зона защиты многократного стержневого молниеотвода определяется как зона защиты попарно взятых соседних стержневых молниеотводов (рис. 8.16). Основным условием защищенности одного сооружения или группы сооружений высотой hх с надежностью, соответствующей зонам типа А и Б, является неравенство Rcx ³ 0 для всех попарно взятых молниеотводов. В противном случае построение зон защиты должно быть выполнено для одиночных или двойных стержневых молниеотводов в зависимости от соотношений L и h. Величину Rcx для обоих типов определяют по формулам (8.17), (8.20), (8.23), (8.24) и (8.27).

Надпись:   RcНадпись:      h1Надпись:      hсНадпись:  hcНадпись:      h2Надпись:      hxНадпись:  Rсх 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 8.15. Зона защиты двух стержневых молниеотводов разной высоты

 

 
 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 8.16. Зона защиты (в плане) многократного стержневого молниеотвода

Одиночный тросовый молниеотвод (рис. 8.17). Здесь h – высота троса в точке наибольшего провеса. С учетом стрелы провеса троса сечением 35-50 мм2 при известной высоте опор hоп и длине пролета a < 120 м высота троса h = hоп-2 м, а при a = 120-150 м h = hоп-3 м.

Конфигурацию и размеры зоны защиты одиночных тросовых молниеотводов определяют по формулам (8.308.35).

Зона типа А:

h0 = 0,85h;                                             (8.30)

R0 = (1,35-0,0025h)h;                                    (8.31)

Rx = (1,35-0,0025h)(h-hx/0,85).                              (8.32)

Зона типа Б:

h0 = 0,92h;                                              (8.33)

R0 = 1,7h;                                               (8.34)

Rx = 1,7(h-hx/0,92).                                       (8.35)

 

 

 
  Надпись: hо Надпись:   R0 Надпись:  Rх Надпись:   hxНадпись: hоп Надпись: h

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 8.17. Зона защиты одиночного тросового молниеотвода

 

Для зоны типа Б высота одиночного тросового молниеотвода при известных hx и Rx равна

h = (Rx+1,85h)/1,7.                                          (8.36)

Двойной тросовый молниеотвод (рис. 8.18). Здесь показаны очертания зоны защиты двойного тросового молниеотвода. Размеры h0, R0, Rx для обоих типов зон защиты определяются по формулам (8.30-8.36). Остальные габариты зоны защиты двойного тросового молниеотвода определяются следующим образом.

Зона типа А (существует при L £ 4h):

при L < h

hc = h0 Rcx = Rx;   Rc = R0;                                (8.37)

при h < L £ 2h

hc = h0-(0,14+5×10-4×h)(L-h);

Rx¢=L/2[(h0-hx)/(h0-hc)];

Rc = R0;                                                (8.38)

Rcx = R0(hc-hx)/hc;

при 2h < L £ 4h

Rc = R0[1-0,2(L-2h)/h];                                   (8.39)

Rcx = Rс(hc-hx)/hc.                                       (8.40)

Размеры hc и Rx¢ определяются по формулам (8.38).

 

Надпись:   LНадпись:  hcНадпись:  h0Надпись:  h 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 8.18. Зона защиты двойного тросового молниеотвода

Зона типа Б (существует при L £ 6h):

при L £ h

hc = h0; Rcx = Rx; Rc = R0;                                 (8.41)

при h < L £ 6h

hc = h0-0,12(L-h);

Rx¢ = L/2[(h0-hx)/(h0-hc)];                                  (8.42)

Rc = R0; Rcx = R0(hc-hx)/hc.

При известных hc и L (Rcx = 0) высота тросового молниеотвода для зоны Б определяется по формуле

h = (hс+0,12h)/1,06.                                      (8.43)

Зона защиты одиночных стержневых молниеотводов высотой 150 < h < 600 м имеет следующие габаритные размеры.

Зона типа А:

h0 = [0,85-1,7×10-3(h-150)]/h;                                 (8.44)

R0 = [0,8-1,8×10-3(h-150)]/h;                                  (8.45)

Rx = [0,8-1,8×10-3(h-150)]/h.        (8.46)

Зона типа Б:

h0 = [0,92-0,8×10-3(h-150)]/h;                                  (8.47)

R0 = 225 м;                                               (8.48)

Rx = .                         (8.49)

На сегодняшний день объем фактических данных о поражаемости нисходящими молниями объектов большой высоты (более 150 м) очень мал и в большей своей части относится к Останкинской телевизионной башне. На основании фоторегистраций поражаемости нисходящими молниями башни утверждается [2], что нисходящие молнии прорываются более чем на 200 м ниже ее вершины и поражают землю на расстоянии около 200 м от основания башни. Рассматривая Останкинскую телевизионную башню как стержневой молниеотвод, можно сделать вывод, что относительные размеры зон защиты молниеотводов высотой более 150 м резко сокращаются с увеличением высоты молниеотвода. С учетом ограниченности фактических данных о поражаемости сверхвысоких объектов в РД [2] включены формулы (8.448.49) для построения зон защиты только для стержневых молниеотводов.

8.5. ЗАЩИТА ЗДАНИЙ И СООРУЖЕНИЙ ОТ ПРЯМЫХ УДАРОВ
МОЛНИИ

Защита зданий и сооружений I категории

Защиту от прямых ударов молнии выполняют отдельно стоящими стержневыми (рис. 8.19) или тросовыми молниеотводами (рис. 8.20). Тем самым резко снижаются перенапряжения между элементами здания и вероятность искрения. Молниеотводы должны обеспечивать зону защиты типа А. При ударе молнии в молниеотвод высокий потенциал приобретает все его части. Возникающие при этом разности потенциалов могут оказаться достаточными для пробоя изоляции между токоотводом и частями здания или пробоя в земле между заземлителем молниеотвода и подземными металлическими коммуникациями, связанными со зданием.

Надпись: SД = hопНадпись: hНадпись: l1 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 8.19. Расчетная схема определения безопасных расстояний
от отдельно стоящего стержневого молниеотвода до сооружения:

а -  отдельно стоящий стержневой молниеотвод; б – изолированный молниеотвод
на здании; 1 - токоотвод; 2 – заземлитель; 3 – опора изолированного молниеотвода; 4 – сооружение
I категории; 5 – металлическая коммуникация

 

В связи с этим одним из основных элементов расчета молниезащиты здания I категории является определение минимально допустимых расстояний от молниеотвода до защищаемого здания. Они определяются по воздуху или земле на основании расчета потенциалов в тех точках, где может произойти наиболее вероятное перекрытие на здание. Согласно рис. 8.19 и 8.20, такими точками могут быть С, А и В. Потенциал этих точек зависит от величины амплитуды и крутизны тока, индуктивного или волнового сопротивления токоотвода, от длины участков lА и lБ и от сопротивления заземлителя rз поскольку оно включено последовательно с этими участками.

Надпись:  SВ1Надпись:  hНадпись:   lА 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 8.20. Расчетная схема для определения безопасных расстояний
от отдельно стоящего тросового молниеотвода до сооружения:

1 – защищаемый объект; 2 – металлические коммуникации

 

Выбор заземлителя защиты от прямых ударов молнии (естественного или искусственного) определяется общими требованиями, изложенными в параграфе 8.4 «Заземляющие устройства». При этом для отдельно стоящих молниеотводов приемлемыми являются варианты, приведенные в табл. 8.1, с учетом следующих уточнений:

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

б) одна (и более) заглубленная в земле не менее чем на 5 м стойка железобетонной опоры диаметром не менее 0,25 м;

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

г) 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. Минимальные сечения (диаметры) электродов принимаются: круглые вертикальные диаметром не менее 10 мм; прямоугольные не менее 160 мм2, при толщине не менее 4 мм.

Наименьшее допустимое расстояние Sв по воздуху от защищаемого объекта до опоры (токоотвода) стержневого или тросового молниеотвода (см. рис. 8.19 и 8.20) определяется в зависимости от высоты здания, конструкции заземлителя и эквивалентного удельного сопротивления грунта.

Для зданий и сооружений высотой не более 30 м наименьшее допустимое расстояние Sв, м, определяется по табл. 8.2.

Таблица 8.2

Sв, м

(рис. 8.19 и 8.20)

r, Ом×м

Вариант конструкции заземлителя

3

r £ 100

1. Заземлитель любой конструкции (см. пп. а-г)

3 + 10-2(r - 100)

100 < r £ 1000

2. Одна железобетонная свая либо подножник или углубленная стойка железобетонной опоры, длины которых указаны в пп. а, б

4

3. Четыре железобетонные сваи или подножники, расположенные в углах прямоугольника на расстоянии 3-8 м один от другого, или железобетонный фундамент произвольной формы с площадью поверхности контакта с землей не менее 70 м2, или искусственный заземлитель, указанный в п. г

 

Для зданий и сооружений большей высоты определенное по табл. 8.2 Sв должно быть увеличено на 1 м в расчете на каждые 10 м высоты объекта сверх 30 м.

Наименьшее допустимое расстояние Sв1 от защищаемого объекта до троса в середине пролета (рис. 8.20) определяется в зависимости от конструкции заземлителя, эквивалентного удельного сопротивления грунта r и суммарной длины l молниеприемников и токоотводов.

При длине l < 200 м наименьшее допустимое расстояние Sв1 определяется по табл. 8.3.

Таблица 8.3

Sв1, м

(рис. 8.19)

r, Ом×м

Вариант конструкции заземлителя

3,5

r £ 100

Заземлитель любой конструкции (см. пп. а-г)

3,5 + 3×10-3 (r - 100)

100 < r £ 1000

Заземлитель по варианту 2 (табл. 8.2)

4

Заземлитель по варианту 3 (табл. 8.2)

 

При суммарной длине молниеприемников и токоотводов l=200-300 м наименьшее допустимое расстояние Sв1 должно быть увеличено на 2 м по сравнению с определенными по табл. 8.3.

Для исключения заноса высокого потенциала в защищаемое здание или сооружение по подземным металлическим коммуникациям любого назначения заземлители защиты от прямых ударов молнии должны быть удалены от этих коммуникаций на максимальные расстояния, допустимые по технологическим требованиям.

Наименьшие допустимые расстояния Sз (см. рис. 8.19 и 8.20) в земле должны составлять Sз= Sв+2(м), при Sв по табл. 8.3.

Зоны взрывоопасности. Для зданий и сооружений, имеющих газоотводные трубы, свечи или вентиляционные устройства, через которые происходит выброс взрывоопасных смесей горючих газов и паров в атмосферу, молниеотводы надо располагать так, чтобы контакт молнии с молниеприемником происходил вне пределов взрывоопасной зоны, которая должна вписываться в зону защиты молниеотвода. Необходимость выполнения этого требования тем более очевидна, если газоотводные или дыхательные трубы не имеют огнепреградителей. Размеры зон взрывоопасности, полученные исследованиями [3] и по инструкции [2], приведены в табл. 8.4

Таблица 8.4

Избыточное давление внутри установки, кПа

Плотность газа

Зоны взрывоопасности от обреза трубы, ограниченные цилиндром высотой Н и радиусом R, м

Не более 5,05
(0,05 ат.)

Тяжелее
воздуха

Н = 1 м,    R = 2 м

От 5,05 до 25,25

(0,05-025 ат.)

То же

Н = 2,5 м, R = 5 м

Не более 25,25

 

Легче воздуха

Н = 2,5 м, R = 5 м

Свыше 25,25

 

Любая

Н = 5 м,    R = 5 м

 

В табл. 8.4 зоны взрывоопасности от обреза трубы приведены при наличии конических колпаков, или «гусаков», над газоотводными или дыхательными трубами. Для газоотводных и дыхательных труб, не оборудованных коническими колпаками, зоной взрывоопасности является пространство над их обрезом, ограниченное полушарием радиусом 5 м. Оно должно  входить в зону защиты молниеотвода. Размеры зоны взрывоопасности установлены независимо от избыточного давления взрывоопасной установки и наличия огнепреградителей на газоотводных трубах.

Молниезащита с учетом  зон  взрывоопасности не обязательна: для труб аварийного выброса горючих газов; труб с постоянно горящими факелами, поджигаемыми в момент выброса газов; при выбросе газов невзрывоопасной концентрации или при азотном дыхании технологических аппаратов; для вентиляционных шахт, предохранительных и аварийных клапанов, выброс газов взрывоопасной концентрации из которых осуществляется только в аварийных случаях.

Защита зданий и сооружений II категории

Защиту от прямых ударов молнии зданий и сооружений с металлической кровлей выполняют отдельно стоящими или установленными на зданиях неизолированными стержневыми, либо тросовыми молниеотводами, обеспечивающими тип зоны в зависимости от количества поражений (см. параграф 8.3, формула (8.7)). От каждого стержневого молниеприемника или от каждой стойки тросового молниеотвода на здании прокладывают два токоотвода. При использовании сосредоточенных заземлителей они должны быть проложены по противоположным сторонам зданий.

При уклоне кровли не более 1/8 может быть использована также молниеприемная сетка.

Молниеприемная сетка должна быть выполнена из стальной проволоки диаметром не менее 6 мм и уложена на кровлю сверху или под несгораемые или трудносгораемые утеплитель или гидроизоляцию. Шаг ячеек сетки должен быть не более 6´6 м. Узлы сетки соединяются сваркой. Выступающие над крышей металлические элементы (трубы, шахты, вентиляционные устройства) необходимо присоединять к молниеприемной сетке, а выступающие неметаллические элементы – оборудовать дополнительными молниеприемниками, присоединяемыми к молниеприемной сетке.

На зданиях и сооружениях с металлической кровлей в качестве молниеприемника необходимо использовать металлическую кровлю. При этом все выступающие неметаллические элементы необходимо оборудовать молниеприемниками, присоединяемые к металлу кровли.

Установка молниеприемников или наложение молниеприемной сетки не требуется для зданий и сооружений, имеющих металлические фермы, при условии, что в их кровлях используются несгораемые или трудносгораемые утеплители и гидроизоляция. Металлические фермы необходимо соединить токоотводами с заземлителями.

Токоотводы, соединяющие молниеприемную сетку или металлическую кровлю с заземлителями, прокладываются не реже чем через 25 м по периметру здания. Токоотводы, прокладываемые по наружным стенам зданий, следует располагать не ближе чем на 3 м от входа или в местах, недоступных для прикосновения к ним людей.

При использовании молниеприемной сетки и установке молниеприемников на защищаемом объекте, всюду, где возможно, в качестве токоотводов следует использовать металлические конструкции зданий и сооружений (колонны, фермы, рамы, металлические направляющие лифтов и т.п., а также арматуру железобетонных конструкций) при условии обеспечения непрерывной электрической связи в соединениях конструкций и арматуры с молниеприемниками и заземлителями, выполняемых, как правило, сваркой.

В качестве заземлителей защиты от прямых ударов молнии следует использовать железобетонные фундаменты зданий и сооружений (см. параграф 8.4 «Заземляющие устройства»). При невозможности такого варианта предусматриваются искусственные заземлители:

при наличии стержневых и тросовых молниеотводов каждый токоотвод присоединяют к заземлителю, отвечающему требованиям варианта 4 табл. 8.1;

при наличии молниеприемной сетки или металлической кровли по периметру здания или сооружения прокладывается наружный контур следующей конструкции:

в грунтах с эквивалентным удельным сопротивлением r £ 500 Ом×м при площади здания более 250 м2 выполняется контур из горизонтальных электродов, уложенных в земле на глубине не менее 0,5 м, а при площади здания менее 250 м2 к этому контуру в местах присоединения токоотводов приваривается по одному вертикальному или горизонтальному лучевому электроду длиной 2-3 м;

в грунтах с 500 < r £ 1000 Ом×м при площади здания более 900 м2 достаточно выполнить контур только из горизонтальных электродов, а при площади здания менее 900 м2 к этому контуру в местах присоединения токоотводов приваривается не менее двух вертикальных или горизонтальных лучевых электродов длиной 2-3 м на расстоянии 3-5 м один от другого.

В зданиях большой площади (шириной более 100 м) наружный контур заземления может использоваться и для выравнивания потенциала внутри здания.

Во всех возможных случаях заземлитель защиты от прямых ударов молнии необходимо объединять с заземлителями электроустановок.

При установке отдельно стоящих молниеотводов расстояние от них по воздуху и в земле до защищаемого объекта и вводимых в него подземных коммуникаций не нормируется.

Для зданий и сооружений, имеющих газоотводные трубы и свечи, молниезащита проектируется с учетом зон взрывоопасности, как и для зданий I категории.

Защита взрывоопасных наружных технологических
установок и открытых складов

Защита указанных в заголовке сооружений от прямых ударов молнии определяется рядом условий и специфических особенностей: материалом корпуса (металл, железобетон или синтетика); наличием дыхательной и предохранительной аппаратуры и возможностью выделения через нее (или неплотности крыши) горючих паров и газов и образования зон взрывоопасности; наличием большого количества горючих и легковоспламеняющихся жидкостей или горючих газов и т.д. [2]. Так, для защиты от прямых ударов молнии металлических установок или отдельных резервуаров при толщине металла крыши 4 мм и более и отсутствии дыхательных клапанов, а также отдельных резервуаров объемом меньше 200 м3 (независимо от толщины металла) достаточно заземлить корпус.

Технологические установки и резервуары при толщине металла крыши 4 мм защищают отдельно стоящими или устанавливаемыми на них молниеотводами. Установки класса В-1г, корпуса которых выполнены из железобетона или синтетических материалов, защищают любым молниеотводом или укладывают на крышу молниеприемную сетку, присоединяя ее к заземлителю. Она допускается только при полной герметичности крыши.

Парк резервуаров со сжиженными газами при общем объеме более 8 тыс. м3, а также парки резервуаров из любого материала с общим объемом более 100 тыс. м3 защищают от прямых ударов молнии, как правило, отдельно стоящими молниеотводами. При защите металлических резервуаров отдельно стоящими молниеотводами корпуса резервуаров присоединяют к заземлителям; к этим же заземлителям допускается присоединение токоотводов отдельно стоящих молниеотводов. Парки подземных железобетонных резервуаров (класса В-1г), не облицованных внутри металлом, защищают только отдельно стоящими молниеотводами. В зону защиты молниеотводов должны входить: вся площадь крыши резервуаров и часть площади круга с радиусом 40 м от стенок крайних резервуаров. Высота молниеотводов должна быть равна высоте дыхательной аппаратуры плюс 2,5 м.

Парки подземных железобетонных резервуаров, содержащих мазут, при подмешивании к нему легких углеводородов и при подогреве должны защищаться от прямых ударов молнии также, как и подземные железобетонные резервуары с ЛВЖ, однако в зону защиты необходимо включать пространство с основанием, совпадающим с размерами резервуаров. Если на наружных технологических установках или резервуарах класса В-1г имеются газоотводные трубы, дыхательные или предохранительные клапаны, то они и зоны взрывоопасности около них также должны входить в зону защиты молниеотводов.

Исследованиями установлено, что размеры взрывоопасных зон для наземных вертикальных резервуаров со стационарными крышами и емкостью от 3 до 20 тыс. м3 зависят в основном от мощности выброса паров и газов и скорости ветра. Эти зоны можно определить по графику (рис. 8.21). На нем размеры взрывоопасных зон Xм соответствуют скорости ветра 1 м/с. При увеличении скорости ветра до 2 м/с размеры взрывоопасных зон можно уменьшить в 2 раза. При пользовании графиком следует иметь в виду: нулевой размер зоны означает, что вся площадь крыши резервуара является взрывоопасной зоной; размеры взрывоопасных зон для резервуаров, заполняемых сырой нефтью, могут быть уменьшены на 10 % по сравнению с зонами соответствующих бензинов. Для других наружных технологических установок класса В-1г, имеющих газоотводные и дыхательные трубы, размеры взрывоопасных зон определяются по табл. 8.4 и нормам [2].

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 8.21. Размеры взрывоопасных зон для вертикальных резервуаров:

1 – нестабильные бензины (для них V – мощность выбросов паров и газов); 2 – стабильные бензины при t = 40 oC; 3 – стабильные бензины при t = 20 oC (для стабильных бензинов
V – производительность закачки)

 

Такое же пространство защищается над срезом горловины цистерн, в которые происходит открытый (негерметизированный) налив продукта на сливной эстакаде. Защите от прямых ударов молнии подлежат также дыхательные клапаны и пространство над ними, ограниченное цилиндром высотой 2,5 м с радиусом 5 м.

Для резервуаров с плавающими крышами или понтонами в зону защиты молниеотводов должно входить пространство, ограниченное поверхностью, любая точка которой отстоит на 5 м от легковоспламеняющейся жидкости в кольцевом зазоре.

Очистные сооружения защищают от прямых ударов молнии в том случае, когда температура вспышки содержащегося в сточных водах продукта превышает его рабочую температуру менее чем на 10 °С. В зону защиты молниеотводов должно входить пространство, основание которого выходит за пределы очистного сооружения на 5 м в каждую сторону от его стенок, а высота равна высоте сооружения плюс 3 м.

Для всех наружных взрывоопасных установок в качестве заземлителей защиты от прямых ударов молнии следует, по возможности, использовать их железобетонные фундаменты или опоры отдельно стоящих молниеотводов, либо выполнять искусственные заземлители, состоящие из одного вертикального или горизонтального электрода длиной не менее 5 м. К этим заземлителям должны присоединяться корпуса наружных установок или токоотводы установленных на них молниеприемников.

Число присоединений и соответственно количество заземлителей зависит от периметра основания установки. Необходимо, чтобы присоединения располагались не более чем в 50 м друг от друга, но число присоединений должно быть не менее двух.

Защита зданий и сооружений III категории

Защита от прямых ударов молнии обычно выполняется одним из способов, рекомендуемых для II категории. Отличием является лишь то, что площадь ячейки молниеприемной сетки допускается с шагом не более 12´12 м.

В качестве заземлителей защиты от прямых ударов молнии следует использовать железобетонные фундаменты зданий и сооружений. При невозможности их использования выполняют искусственные заземлители:

каждый токоотвод от стержневых и тросовых молниеприемников должен присоединяться к заземлителю, состоящему минимум из двух вертикальных электродов длиной не менее 3 м, объединенных горизонтальным электродом длиной не менее 5 м;

при варианте применения молниеприемной сетки или использования металлической кровли в качестве молниеприемников по периметру здания в земле на глубине 0,5 м прокладывается наружный контур, состоящий из горизонтальных электродов. В грунтах с 500 < r £ 1000 Ом×м и при площади здания менее 900 м2 к этому контуру в местах присоединения токоотводов следует приваривать по одному вертикальному или горизонтальному лучевому электроду длиной 2-3 м.

В зданиях большей площади (шириной более 100 м) наружный контур заземления может также использоваться для выравнивания потенциалов внутри здания.

Молниезащиту пожароопасных наружных установок класса П-III, содержащих горючие жидкости с температурой вспышки паров выше 61 °С, рекомендуется выполнять следующим образом:

корпуса установок из железобетона, а также корпуса установок и резервуаров при толщине крыше менее 4 мм оборудуются отдельно стоящими или установленными на защищаемом сооружении молниеотводами;

металлические корпуса установок и резервуаров при толщине крыши 4 мм и более достаточно присоединить к заземлителю;

над дыхательными и газоотводными трубами и клапанами зона взрывоопасности не учитывается.

Конструкция заземлителей и их число принимаются как для взрывоопасных наружных установок класса В-1г.

8.6. ЗАЩИТА ЗДАНИЙ И СООРУЖЕНИЙ ОТ ВТОРИЧНЫХ
ВОЗДЕЙСТВИЙ МОЛНИИ

Защите от вторичных воздействий молнии (электростатической и электромагнитной индукции) подлежат здания и сооружения I и II категории и некоторые виды наружных установок классов В-1г и П-III. Она почти всегда сочетается с защитой от статического электричества.

Защита зданий I категории от электростатической индукции выполняется присоединением металлических корпусов всего оборудования и металлических конструкций здания к защитному заземлителю электроустановок, железобетонному фундаменту или специальному заземлителю, а расстояние от этих заземлителей до заземлителей молниеотводов определяется по параграфу 8.5.

Для защиты от искрения, обусловленного электромагнитной индукцией, все трубопроводы и другие протяженные металлические предметы здания и оборудования на участке их взаимного сближения на 10 см и меньше необходимо электрически соединять перемычками через каждые 20 м. Для кабелей с металлическими оболочками или броней перемычки должны выполняться из гибкого медного проводника в соответствии с указаниями СНиП 3.05.06-85. Необходимо также обеспечить переходное сопротивление каждого электрического контакта не более 0,03 Ом во всех местах соединений трубопроводов (например, на фланцах) и других протяженных предметов. Если переходное сопротивление более 0,03 Ом, то на соединении устраивается перемычка.

Защита от опасности заноса высокого потенциала по линиям электропередачи напряжением до 1000 В сетей телефона, радио, сигнализации и др. обеспечивается тем, что ввод воздушных линий в здания должен осуществляться только кабелями длиной не менее 50 м с металлической броней или оболочкой или кабелями, проложенными в металлических трубах. На вводе в здание металлические трубы, броня и оболочки кабелей, в том числе с изоляционным покрытием металлической оболочки (например, ААIIIв, ААIIIп), должны быть присоединены к железобетонному фундаменту здания или к искусственному заземлителю по варианту 4 табл. 8.1.

В месте перехода воздушной линии в кабельную вставку металлические оболочки и броня кабеля, а также штыри или крючья изоляторов должны присоединяться к заземлителю по варианту 4 табл. 8.1. В этом же месте между каждой жилой кабеля и заземленными элементами должны быть устроены закрытые воздушные искровые промежутки с межэлектродным расстоянием 2-3 мм или установлен низковольтный разрядник, например РВН-0,5. У следующей ближайшей опоры воздушной линии - также заземлитель и к нему должны быть присоединены штыри и крючья изоляторов.

Для защиты от заносов высоких потенциалов по подземным металлическим коммуникациям (трубопроводы, кабели в наружных металлических оболочках и трубах) при вводе в здание или сооружение эти коммуникации присоединяют к арматуре их железобетонных фундаментов, к заземлителю электроустановок или специальному заземлителю (вариант 4 табл. 8.1).

В здание допускается вводить трубопроводы и кабели, монтируемые на эстакадах. У ввода в здание и на двух ближайших к этому вводу опорах эстакады трубопроводы и металлические оболочки кабелей присоединяют к заземлителям. В качестве заземлителей следует использовать железобетонные фундаменты здания и каждой из опор, а при невозможности - искусственные заземлители.

Защита зданий II категории от электростатической индукции обеспечивается присоединением металлических корпусов всего оборудования к защитному заземлению электроустановок или железобетонному фундаменту здания. Плавающие крыши (понтоны) резервуаров в установках классов В-1г и П-III независимо от материала крыш и корпусов резервуаров соединяют гибкими металлическими перемычками с токоотводами или металлическим корпусом не менее чем в двух точках. Защита от электромагнитной индукции выполняется как и в зданиях  категории, но перемычки устанавливаются через 30 м в местах опасного сближения. Перемычки в местах соединений (на фланцах) трубопроводов и других протяжных конструкций не требуются.

Ввод воздушных линий любого назначения непосредственно в здание не допускается. Необходимо прокладывать кабельную вставку от воздушных линий, как и для  категории. Для защиты от заноса высоких потенциалов по подземным коммуникациям при вводе в здание или сооружение их необходимо присоединить к  любому из заземлителей. Эстакадные трубопроводы на вводе в здание следует подключать к заземлителю электроустановок или заземлителю молниеотвода, а на ближайшей к вводу опоре эстакады - к ее железобетонному фундаменту.

При невозможности использования фундамента должен быть установлен искусственный заземлитель, состоящий из одного вертикального или горизонтального электрода длиной не менее 5 м.

Защита зданий III категории. Ввод воздушных линий напряжением до 1000 В в здания должен выполняться в соответствии с ПУЭ, а линии связи, сигнализации, радио - по указаниям соответствующих ведомств.

Для защиты от заноса высоких потенциалов трубопроводы и металлические оболочки кабелей, проложенные на эстакадах, следует присоединять на вводе в здание к заземлителям молниеотводов или к защитному заземлению электроустановок.

8.7. ЭКСПЛУАТАЦИЯ УСТРОЙСТВ МОЛНИЕЗАЩИТЫ

Испытания и приемка в эксплуатацию устройств молниезащиты

Устройства молниезащиты должны быть заложены в проект и график строительства или реконструкции здания или сооружения таким образом, чтобы выполнение молниезащиты происходило одновременно с основными строительно-монтажными работами.

Устройства молниезащиты зданий и сооружений от прямых ударов молнии, электростатической и электромагнитной индукции и заноса высоких потенциалов должны быть испытаны и введены в эксплуатацию к началу отделочных работ, а при наличии взрывоопасных зон (I и II категории) - до начала комплексного опробования технологического оборудования. При этом оформляется и передается заказчику скорректированная при строительстве и монтаже проектная документация по устройству молниезащиты (чертежи и пояснительная записка) и акты приемки устройств молниезащиты, в том числе акты по выполнению малодоступных элементов (молниеприемников, их креплений на сооружении), акты на скрытые работы по присоединению заземлителей к токоотводам и токоотводов к молниеприемникам, за исключением случаев использования стального каркаса здания в качестве токоотводов и молниеприемников, а также результаты замеров сопротивлений току промышленной частоты заземлителей отдельно стоящих молниеотводов.

Приемка в эксплуатацию устройств молниезащиты производится комиссией в составе представителей заказчика, генподрядной и монтажной организаций, представителя местных органов Госгортехнадзора (для объектов надзора, поднадзорных Госгортехнадзору), представителя органов госпожнадзора и др. (примерный состав). Вся техническая документация по окончании приемки устройств молниезащиты передается организации, ведущей ее эксплуатацию. В акте приемки-сдачи следует указывать гарантийный срок работы устройств молниезащиты.

Контроль состояния и обслуживание устройств молниезащиты

Эффективность действия устройств молниезащиты в значительной степени зависит от исправного технического состояния всех элементов.

Контроль за состоянием устройств молниезащиты и проведение ремонта и технического обслуживания должны проводиться по системе планово-предупредительных ремонтов и осмотров.

Проверка состояния устройств молниезащиты должна производиться для зданий и сооружений I и II категории - один раз в год перед началом грозового сезона; для зданий и сооружений III категории - один раз в 3 года. Цель ревизии следующая:

проверить надежность электрической связи между токоведущими элементами (в местах сварки, в болтовых и прочих соединениях);

выявить элементы в защитных устройствах, требующие замены или усиления из-за механических повреждений;

определить степень разрушения коррозией отдельных элементов молниезащиты, принять меры по антикоррозийной защите и усилению элементов, поврежденных коррозией;

проверить соответствие устройств молниезащиты категории здания или установки;

измерить сопротивление всех заземлителей отдельно стоящих молниеотводов.

При превышении сопротивления заземлителя более чем в 5 раз, по сравнению с результатами соответствующих замеров на стадии приемки, следует проводить полную ревизию заземлителя.

На основании ревизий определяют объем предупредительного ремонта устройств молниезащиты, который должен быть закончен к началу грозового сезона (март - для южных и апрель - для центральных районов РФ). Мелкие текущие ремонты молниезащитных устройств могут быть произведены во время грозового сезона, капитальные - в негрозовое время года.

Недостаточно квалифицированный надзор за состоянием и соответствием молниезащиты требованиям пожарной безопасности приводит к тому, что строительно-монтажные и технологические изменения на объекте повышают степень его пожаровзрывоопасности, а молниезащита остается без изменений.

Высококвалифицированный надзор за молниезащитными устройствами может быть достигнут на таких объектах, на которых в составе электроцеха создана специальная группа или бригада, занимающаяся вопросами эксплуатации молниезащитных устройств и устройств по защите от статического электричества. Главный энергетик (или начальник электроцеха) должен разработать инструкцию по эксплуатации указанных устройств, учитывающую все конкретные особенности объекта. Лица, проводящие ревизию молниезащиты, должны составлять акт осмотра и проверки с указанием обнаруженных дефектов. Результаты ревизий молниезащитных устройств по защите от разрядов статического электричества, проверочных испытаний заземляющих устройств, ремонтов и т.д. заносятся в эксплуатационный журнал произвольной формы.

После каждой грозы следует тщательно осмотреть все устройства молниезащиты в целях выявления повреждений. Обнаруженные неисправности и дефекты заносятся в акт осмотра и устраняются.С