Нужен ли громоотвод? Этим вопросом задается не один владелец частного дома, ведь разряд молнии может стать причиной выхода из строя всей бытовой техники или, еще хуже, пожара. Если дом расположен в поселке или городе в окружении себе подобных, то в громоотводе нет необходимости. Напротив, он может притягивать электрические разряды. Если же дом одиноко стоит в поле или на большом участке, возвышается на пригорке, а климат летом жаркий и сухой, с частыми грозами, то громоотвод просто необходим.
Устройство громоотвода
Первый громоотвод сконструировал Бенджамин Франклин, который, по совместительству, был не только президентом Америки, но и изобретателем. С тех пор конструкция этого приспособления не особенно изменилась, так как справляется со своей задачей оно хорошо. Громоотвод состоит из трех частей, соединенных между собой.
- Молниеприемник – самый заметный элемент, представляющий собой длинный стержень из алюминия, меди, стали или другого хорошо проводящего ток металла. Он крепится или вне его с таким учетом, чтобы верхняя точка возвышалась над крышей. Толщина молниеприемника зависит от металла, для стали это 50 мм кв., для меди – 35 мм кв. Возможна и конструкция в виде троса, натянутого над коньком по всей его длине, она считается более безопасной. И трос, и штырь должны опираться на деревянные подпорки. Металлическая крыша без защитного полимерного покрытия сама по себе может являться молниеотводом, но в этом случае ее необходимо хорошо изолировать изнутри. Такое устройство крыши оговаривается еще на стадии проектирования, так как выбираются материалы достаточной толщины, и сама конструкция имеет ряд особенностей.
- По токоотводу заряд от молнии уходит в землю. По сути, это провод, соединяющий молниеприемник с заземлителем. Толщина его зависит от материала и длины, так как он должен кратковременно справляться с нагрузкой в 200 тыс. ампер. Лучше всего подойдет медный провод сечением не менее 6 мм кв.
- Заземлитель – контур, по которому напряжение разряда передается в землю. Обычно он изготавливается из медных или стальных прутьев, диаметр которых зависит от их длины, вкопанных в землю. Не стоит использовать в качестве заземлителя для молниеотвода трубы водопровода или иных коммуникаций или контур заземления от электропроводки самого дома.
Громоотвод своими руками
Перед установкой громоотвода необходимо определиться с местом его размещения – будет ли это крыша дома или площадка на участке. Отдельно стоящая конструкция потребует большего расхода материала, но, при установке на границе участков, может защищать два и более домовладения. Такой громоотвод должен превышать самую высокую точку крыши на 2 метра.
Молниеприемник устанавливается на вышку, которая может быть изготовлена из трубы подходящего диаметра. Внутри нее будет проходить токоотвод, поэтому материал трубы должен служить изолятором, сверху хомутами крепится медный, стальной или алюминиевый стержень. Токопровод приваривается к приемнику.
Провод на тех участках, где он не будет защищен трубой, можно спрятать в гофру, чтобы уберечь от коррозии. Вышка вкапывается в землю на глубину 2-х метров, дополнительно ее можно зафиксировать подпорками, закрепленными на хомуте.
Если молниеприемник расположен на крыше, то он должен возвышаться над ее верхней точкой на 30 см. В этом случае токопровод прокладывают так, чтобы он не проходил около окон или дверей, до ближайших металлических конструкций (лестниц, водостоков) должно быть не менее 30 см. Кабель не должен иметь резких изгибов или прямых углов, так как в этих местах высока вероятность появления искровых разрядов. К стене он крепится пластиковыми хомутами на дюбели.
Выбирать место расположения заземления нужно с учетом того, что до ближайшего входа в дом или иные постройки должно быть не менее 3 метров, а от стен не менее метра. В этом месте выкапывают траншею длиной 3 метра и глубиной 1-1,5 метра. В ее концах забивают на глубину в 2 метра стержни из меди сечением 50 мм кв. или стали сечением 80 мм кв. (подойдет некрашеная арматура), соединяют их, приварив прут из того же материала. К контуру приваривают провод токоотвода и траншею вновь засыпают землей.
Возведение громоотвода на участке или на крыше потребует времени, навыков сварки и материальных затрат. Однако потери, которые могут произойти за доли секунды при попадании молнии в дом, ощутимо серьезнее.
Стоит помнить, что правильно сконструированный и установленный громоотвод будет эффективен лишь при установке в доме УЗО и ограничителей напряжения.
Молниеприемник непосредственно воспринимает прямой удар молнии. Поэтому он должен надежно противостоять механическим и тепловым воздействиям тока и высокотемпературного канала молнии. Несущая конструкция несет на себе молниеприемник и токоотвод, объединяет все элементы молниеотвода в единую, жесткую, механически прочную конструкцию. В электроустановках молниеотводы устанавливаются вблизи токоведущих частей, находящихся под рабочим напряжением. Падение молниеотвода на токоведущие элементы электроустановки вызывает тяжелую аварию. Поэтому несущая конструкция молниеотвода должна иметь высокую механическую прочность, которая исключила бы в эксплуатации случаи падения молниеотвода на оборудование электростанций и подстанций. Молниеотвод должен иметь надёжную связь с землёй с сопротивлением 5-25 Ом растеканию импульсного тока. Защитное свойство стержневых молниеотводов заключается в том, что они ориентируют на себя лидер формирующегося грозового разряда. Разряд происходит обязательно в вершину молниеотвода, если он формируется в некоторой области, расположенной над молниеотводом. Эта область имеет вид расширяющегося вверх конуса и называется зоной 100%-го поражения.
Опытными данными установлено, что высота ориентировки молнии H зависит от высоты молниеотвода h. Для молниеотводов высотой до 30 метров:
а для молниеотводов высотой более 30 метров H=600 м.
где - активная часть молниеотвода, соответствующая его превышению над высотой защищаемого объекта:
Рисунок 1.1 Зона защиты одиночного стержневого молниеотвода: 1 - граница зоны защиты; 2 - сечение зоны защиты на уровне.
Для расчёта радиуса защиты в любой точке защитной зоны, в том числе и на уровне высоты защищаемого объекта, используется формула:
где - поправочный коэффициент, равный 1 для молниеотводов высотой меньше 30 метров и равный для более высоких молниеотводов.
Зоны защиты протяженных объектов в которых используется несколько молниеотводов, целесообразно, чтобы зоны их 100%-го поражения смыкались над объектом или даже перекрывали друг друга, исключая вертикальный прорыв молнии на объект защиты Расстояние (S) между осями молниеотводов должно быть равно или меньше величины, определяемой из зависимости:
Зона защиты двух и четырёх стержневых молниеотводов в плане на уровне высоты защищаемого объекта имеет очертания, приведённые на рисунке 1.3, а, б.
Наименьшая ширина зоны защиты, показанный на чертеже радиус защиты определяется так же, как и для одиночного молниеотвода, а определяется по специальным кривым. На рисунке 1.2 показаны конструкции стержневых молниеотводов. Если у молниеотводах высотой до 30 метров, расположенных на расстоянии, наименьшая ширина зоны защиты равна нулю.
Рисунок 1.2 Конструкции стержневых молниеотводов на железобетонных опорах: а -из вибрированного бетона; б - центрифугированного бетона
Рисунок 1.3 Стержневые молниеотводы на металлических опорах: а - тросовый молниеотвод (несущая конструкция); б - стержневой молниеотвод (несущая конструкция)
На рисунке 1.3 показаны конструкции стержневых молниеотводов на металлических опорах. Радиусы защиты определяются в этом случае так же, как и для одиночных молниеотводов. Размер определяется по кривым для каждой пары молниеотводов. Диагональ четырёхугольника или диаметр окружности, проходящей через вершины треугольника, образованного тремя молниеотводами, по условиям защищённости всей площади должны удовлетворять зависимости:
Для молниеотводов высотой меньше 30 м:
Для молниеотводов высотой более 30 м:
Отдельно стоящие стержневые молниеотводы с металлическими опорами устанавливаются на железобетонных фундаментах. Токоотводамп для таких молниеотводов служат несущие конструкции. На металлических и железобетонных конструкциях ОРУ, как правило, устанавливаются молниеотводы с металлическими несущими частями. Конструкция их крепления определяется особенностями той конструкции ОРУ, к которой крепится стержневой молниеотвод. Обычно конструкция молниеотводов, устанавливаемых на конструкциях ОРУ, представляет собой стальную трубу, нередко состоящую из труб нескольких диаметров. Молниеотводы высотой более 5 м в основании имеют решетчатую конструкцию из угловой стали. Потенциал на молниеотводе в момент разряда определяется зависимостью:
где - импульсное сопротивление заземления молниеотвода 5-25 Ом;
Ток молнии в хорошо заземлённом объекте.
Потенциал на молниеотводе определяется:
где - крутизна фронта волны тока;
- - точка молниеотвода на высоте объекта;
- - удельная индуктивность молниеотвода.
Для расчёта минимального допустимого приближения объекта к молниеотводу можно исходить из зависимости:
где - допустимая импульсная напряжённость электрического поля в воздухе, принимаемая 500 кВ/м.
Руководящие указания по защите от перенапряжений рекомендуют расстояние до молниеотвода принимать равным:
Эта зависимость справедлива при токе молнии, равным 150 кА, крутизне тока 32 кА/мксек и индуктивности молниеотвода 1,5 мкГн/м. Независимо от результатов расчёта, расстояние между объектом и молниеотводом должно быть не менее 6 метров.
Тросовый молниеотвод. Значения коэффициентов k и z берутся в зависимости от допускаемой вероятности прорыва молнии в зону защиты. Вероятность прорыва молнии в зону защиты равна отношению числа разрядов молнии в защищаемое сооружение к общему числу разрядов молнии в молниеотвод и защищаемое сооружение. Если допускается вероятность прорыва молнии в зону защиты 0,01, то коэффициент 1, а при допускаемой вероятности 0,001, т. е. защитные зоны тросовых молниеотводов несколько меньше защитных зон стержневых молниеотводов. Форма зоны защиты двух параллельных тросовых молниеотводов высотой до 30 м. Внешние границы зоны защиты каждого троса определяются так же, как и для одиночного тросового молниеотвода. В зависимости от конструкции опор, могут быть применены один или два троса, наглухо присоединённые к металлической опоре или к заземляющим металлическим спускам деревянных опор. Для предохранения троса от пережога током молнии и контроля заземления опоры крепления троса производится с помощью одного подвесного изолятора, шунтированного искровым промежутком. Эффективность тросовой защиты тем выше, чем меньше угол, образованный вертикалью, проходящей через трос, и линией, соединяющей трос с крайним из проводов. Этот угол называют защитным углом, принимая его величину в пределах
Зона защиты двух тросовых молниеотводов высотой более 30 м. Метод построения зоны защиты для этого случая такой же, как и для тросовых молниеотводов высотой до 30 м, но на расстоянии от вершины зона усекается так же, как у одиночных тросовых молниеотводов. Ширина защитной зоны, исключающей прямое поражение проводов на уровне высоты их подвеса, определяется зависимостью:
Эта зависимость справедлива для высоты подвеса троса 30 м и ниже.
3.1. 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 нагрузок.
3.2. Опоры отдельно стоящих молниеотводов могут выполняться из стали любой марки, железобетона или дерева.
3.3. Стержневые молниеприемники должны быть изготовлены из стали любой марки сечением не менее 100 мм 2 и длиной не менее 200 мм и защищены от коррозии оцинкованием, лужением или окраской.
Тросовые молниеприемники должны быть выполнены из стальных многопроволочных канатов сечением не менее 35 мм 2 .
3.4. Соединения молниеприемников с токоотводами и токоотводов с заземлителями должны выполняться, как правило, сваркой, а при недопустимости огневых работ разрешается выполнение болтовых соединений с переходным сопротивлением не более 0,05 Ом при обязательном ежегодном контроле последнего перед началом грозового сезона.
3.5. Токоотводы, соединяющие молниеприемники всех видов с заземлителями, следует выполнять из стали размерами не менее указанных в табл. 3.
3.6. При установке молниеотводов на защищаемом объекте и невозможности использования в качестве токоотводов металлических конструкций здания (см. п. 2.12) токоотводы должны быть проложены к заземлителям по наружным стенам здания кратчайшими путями.
3.7. Допускается использование любых конструкций железобетонных фундаментов зданий и сооружений (свайных, ленточных и т.п.) в качестве естественных заземлителей молниезащиты (с учетом требований п. 1.8).
Допустимые размеры одиночных конструкций железобетонных фундаментов, используемых в качестве заземлителей, приведены в табл. 2.
ПРИЛОЖЕНИЕ 1
ОСНОВНЫЕ ТЕРМИНЫ
1. Прямой удар молнии (поражение молнией) - непосредственный контакт канала молнии с зданием или сооружением, сопровождающийся протеканием через него тока молнии.
2. Вторичное проявление молнии - наведение потенциалов на металлических элементах конструкции, оборудования, в незамкнутых металлических контурах, вызванное близкими разрядами молнии и создающее опасность искрения внутри защищаемого объекта.
3. Занос высокого потенциала - перенесение в защищаемое здание или сооружение по протяженным металлическим коммуникациям (подземным, наземным и надземным трубопроводам, кабелям и т.п.) электрических потенциалов, возникающих при прямых и близких ударах молнии и создающих опасность искрения внутри защищаемого объекта.
4. Молниеотвод - устройство, воспринимающее удар молнии и отводящее ее ток в землю.
В общем случае молниеотвод состоит из опоры; молниеприемника, непосредственно воспринимающего удар молнии; токоотвода, по которому ток молнии передается в землю; заземлителя, обеспечивающего растекание тока молнии в земле.
В некоторых случаях функции опоры, молниеприемника и токоотвода совмещаются, например при использовании в качестве молниеотвода металлических труб или ферм.
5. Зона защиты молниеотвода - пространство, внутри которого здание или сооружение защищено от прямых ударов молнии с надежностью не ниже определенного значения. Наименьшей и постоянной надежностью обладает поверхность зоны защиты; в глубине зоны защиты надежность выше, чем на ее поверхности.
Зона защиты типа А обладает надежностью 99,5% и выше, а тина Б - 95 % и выше.
6. Конструктивно молниеотводы разделяются на следующие виды:
стержневые - с вертикальным расположением молниеприемника;
тросовые (протяженные) - с горизонтальным расположением молниеприемника, закрепленного на двух заземленных опорах;
сетки - многократные горизонтальные молниеприемники, пересекающиеся под прямым углом и укладываемые на защищаемого объекта.
7. Отдельно стоящие молниеотводы - это те, опоры которых установлены на земле на некотором удалении от защищаемого объекта.
8. Одиночный молниеотвод - это единичная конструкция стержневого или тросового молниеотвода.
9. Двойной (многократный) молниеотвод - это два (или более) стержневых или тросовых молниеотвода, образующих общую зону защиты.
10. Заземлитель молниезащиты - один или несколько заглубленных в землю проводников, предназначенных для отвода в землю токов молнии или ограничения перенапряжений, возникающих на металлических корпусах, оборудовании, коммуникациях при близких разрядах молнии. Заземлители делятся на естественные и искусственные.
11. Естественные заземлители - заглубленные в землю металлические и железобетонные конструкции зданий и сооружений.
12. Искусственные заземлители - специально проложенные в земле контуры из полосовой или круглой стали; сосредоточенные конструкции, состоящие из вертикальных и горизонтальных проводников.
ПРИЛОЖЕНИЕ 2
ХАРАКТЕРИСТИКИ ИНТЕНСИВНОСТИ ГРОЗОВОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ И ГРОЗОПОРАЖАЕМОСТИ ЗДАНИЙ И СООРУЖЕНИЙ
Среднегодовая продолжительность гроз в часах в произвольном пункте на территории СССР определяется по карте (рис. 3), или по утвержденным для некоторых областей СССР региональным картам продолжительности гроз, или по средним многолетним (порядка 10 лет) данным метеостанции, ближайшей от места нахождения здания или сооружения.
Подсчет ожидаемого количества N поражений молнией в год производится по формулам:
для сосредоточенных зданий и сооружений (дымовые трубы, вышки, башни)
для зданий и сооружений прямоугольной формы
где h - наибольшая высота здания или сооружения, м; S, L - соответственно ширина и длина здания или сооружения, м; n - среднегодовое число ударов молнии в 1 км земной поверхности (удельная плотность, ударов молнии в землю) в месте нахождения здания или сооружения.
Для зданий и сооружений сложной конфигурации в качестве S и L рассматриваются ширина и длина наименьшего прямоугольника, в который может быть вписано здание или сооружение в плане.
Для произвольного пункта на территории СССР удельная плотность ударов молнии в землю n определяется исходя из среднегодовой продолжительности гроз в часах следующим образом:
Рис. 3. Карта средней за год продолжительности гроз в часах для территории СССР
ПРИЛОЖЕНИЕ 3
ЗОНЫ ЗАЩИТЫ МОЛНИЕОТВОДОВ
1. Одиночный стержневой молниеотвод.
Зона защиты одиночного стержневого молниеотвода высотой h представляет собой круговой конус (рис. П3.1), вершина которого находится на высоте h 0 1.1. Зоны защиты одиночных стержневых молниеотводов высотой h£150 м имеют следующие габаритные размеры. Зона A: h 0 = 0,85h, r 0 = (1,1 - 0,002h)h, r x = (1,1 - 0,002h)(h - h x /0,85). Зона Б: h 0 = 0,92h; r x =1,5(h - h x /0,92). Для зоны Б высота одиночного стержневого молниеотвода при известных значениях h и может быть определена по формуле h = (r x + 1,63h x)/1,5. Рис. П3.1. Зона защиты одиночного стержневого молниеотвода: I - граница зоны защиты на уровне h x , 2 -то же на уровне земли 1.2. Зоны защиты одиночных стержневых молниеотводов высоток 150 < h < 600 м имеют следующие габаритные размеры. 2. Двойной стержневой молниеотвод. 2.1. Зона защиты двойного стержневого молниеотвода высотой h£150 м представлена на рис. П3.2. Торцевые области зоны защиты определяются как зоны одиночных стержневых молниеотводов, габаритные размеры которых h 0 , r 0 , r x1 , r x 2 определяются по формулам п. 1.1 настоящего приложения для обоих типов зон защиты. Рис. П3.2. Зона защиты двойного стержневого молниеотвода: 1 - граница зоны защиты на уровне h x 1 ; 2 -то же на уровне h x 2 , 3 -то же на уровне земли Внутренние области зон защиты двойного стержневого молниеотвода имеют следующие габаритные размеры. при 2h < L £ 4h При расстоянии между стержневыми молниеотводами L > при h < L £ 6h При расстоянии между стрежневыми молниеотводами L > 6h для построения зоны Б молниеотводы следует рассматривать как одиночные. При известных значениях h c и L (при r cx = 0) высота молниеотвода для зоны Б определяется по формуле h = (h c + 0,14L) / l,06. 2.2. Зона защиты двух стержневых молниеотводов разной высоты h 1 , и h 2 £ 150 м приведена на рис. ПЗ.З. Габаритные размеры торцевых областей зон защиты h 01 , h 02 , r 01 , r 02 , r x 1 , r x 2 определяются по формулам п. 1.1, как для зон защиты обоих типов одиночного стержневого молниеотвода. Габаритные размеры внутренней области зоны защиты определяются по формулам: где значения h c 1 и h c 2 вычисляются по формулам для h c п. 2.1 настоящего приложения. Для двух молниеотводов разной высоты построение зоны А двойного стержневого молниеотвода выполняется при L £ 4h min , а зоны Б - при L £ 6h min . При соответствующих больших расстояниях между молниеотводами они рассматриваются как одиночные. Рис. ПЗ.З Зона зашиты двух стержневых молниеотводов разной высоты. Обозначения те же, что и на рис. П3.1 3. Многократный стержневой молниеотвод. Зона защиты многократного стержневого молниеотвода (рис. П3.4) определяется как зона защиты попарно взятых соседних стержневых молниеотводов высотой h £ 150 м (см. пп. 2.1, 2.2 настоящего приложения). Рис. П3.4. Зона защиты (в плане) многократного стержневого молниеотвода. Обозначения те же, что и на рис. П3.1 Основным условием защищенности одного или нескольких объектов высотой h x с надежностью, соответствующей надежности зоны А и зоны Б, является выполнение неравенства r cx > 0 для всех попарно взятых молниеотводов. В противном случае построение зон защиты должно быть выполнено для одиночных или двойных стержневых молниеотводов в зависимости от выполнения условий п. 2 настоящего приложения. 4. Одиночный тросовый молниеотвод. Зона защиты одиночного тросового молниеотвода высотой h£150 м приведена на рис. П3.5, где h - высота троса в середине пролета. С учетом стрелы провеса троса сечением 35-50 мм 2 при известной высоте опор h оп и длине пролета а
высота троса (в метрах) определяется: h = h оп - 2 при а< 120 м; h = h оп - 3 при 120 < а< 15Ом. Рис. П3.5. Зона защиты одиночного тросового молниеотвода. Обозначения те же, что и на рис. П3.1 Зоны защиты одиночного тросового молниеотвода имеют следующие габаритные размеры. Для зоны типа Б высота одиночного тросового молниеотвода при известных значениях h x и r x определяется по формуле 5. Двойной тросовый молниеотвод. 5.1. Зона защиты двойного тросового молниеотвода высотой h£150 м приведена на рис. П3.6. Размеры r 0 , h 0 , r x для зон защиты А и Б определяются по соответствующим формулам п. 4 настоящего приложения. Остальные размеры зон определяются следующим образом. Рис. ПЗ.6. Зона защиты двойного тросового молниеотвода. Обозначения те же, 410 и на рис. П3.2 при h < L £ 2h при 2h < L £ 4h При расстоянии между тросовыми молниеотводами L > 4h для построения зоны А молниеотводы следует рассматривать как одиночные. при h < L £ 6h При расстоянии между тросовыми молниеотводами L > 6h для построения зоны Б молниеотводы следует рассматривать как одиночные. При известных значениях h c и L (при r cx = 0) высота тросового молниеотвода для зоны Б определяется по формуле h = (h c + 0,12L)/1,06. Рис. П3.7. Зона защиты двух тросовых молниеотводов разной высоты 5.2. Зона защиты двух тросов разной высоты h 1 и h 2 приведена на рис. П3.7. Значения r 01 , r 02 , h 01 , h 02 , r x1 , r x 2 определяются по формулам п. 4 настоящего приложения как для одиночного тросового молниеотвода. Для определения размеров r c и h с используются формулы: где h c 1 и h c 2 вычисляются по формулам для h c П.5.1 настоящего приложения. ПРИЛОЖЕНИЕ 4 ПОСОБИЕ К "ИНСТРУКЦИИ ПО УСТРОЙСТВУ МОЛНИЕЗАЩИТЫ ЗДАНИЙ И СООРУЖЕНИЙ" (РД34.21.122-87) Настоящее пособие ставит задачей пояснить и конкретизировать основные положения РД 3421.122-87, а также ознакомить специалистов, занятых разработкой и проектированием молниезащиты различных объектов, с существующими представлениями о развитии молнии и ее параметрах, определяющих опасные воздействия на человека и материальные ценности. Приводятся примеры исполнения молниезащиты зданий и сооружений различных категорий в соответствии с требованиями РД 34.21.122-87. 1. КРАТКИЕ СВЕДЕНИЯ О РАЗРЯДАХ МОЛНИИ И ИХ ПАРАМЕТРАХ Молния представляет собой электрический разряд длиной в несколько километров, развивающийся между грозовым облаком и землей или каким-либо наземным сооружением. Разряд молнии начинается с развития лидера - слабо светящегося канала с током в несколько сотен ампер. По направлению движения лидера - от облака вниз или от наземного сооружения вверх - молнии разделяются на нисходящие и восходящие. Данные о нисходящих молниях накапливались продолжительное время в нескольких регионах земного шара. Сведения о восходящих молниях появились лишь в последние десятилетия, когда начались систематические наблюдения за грозопоражаемостью очень высоких сооружений, например Останкинской телевизионной башни. Лидер нисходящей молнии возникает под действием процессов в грозовом облаке, и его появление не зависит от наличия на поверхности земли каких-либо сооружений. По мере продвижения лидера к земле с наземных объектов могут возбуждаться направленные к облаку встречные лидеры. Соприкосновение одного из них с нисходящим лидером (или касание последнего поверхности земли) определяет место удара молнии в землю или какой-либо объект. Восходящие лидеры возбуждаются с высоких заземленных сооружений, у вершин которых электрическое поле во время грозы резко усиливается. Сам факт появления и устойчивого развития восходящего лидера определяет место поражения. На равнинной местности восходящие молнии поражают объекты высотой более 150 м, а в горных районах возбуждаются с остроконечных элементов рельефа и сооружении меньшей высоты и потому наблюдаются чаще. Рассмотрим сначала процесс развития и параметры нисходящей молнии. После установления сквозного лидерного канала следует главная стадия разряда - быстрая нейтрализация зарядов лидера, сопровождающаяся ярким свечением и нарастанием тока до пиковых значений, варьирующихся от единиц до сотен килоампер. При этом происходит интенсивный разогрев канала (до десятков тысяч кельвин) и его ударное расширение, воспринимаемое на слух как раскат грома. Ток главной стадии состоит из одного или нескольких последовательных импульсов, наложенных на непрерывную составляющую. Большинство импульсов тока имеет отрицательную полярность. Первый импульс при общей длительности в несколько сотен микросекунд имеет длину фронта от 3 до 20 мкс; пиковое значение тока (амплитуда) варьируется в широких пределах: в 50% случаев (средний ток) превышает 30, а в 1-2% случаев 100 кА. Примерно в 70% нисходящих отрицательных молний за первым импульсом наблюдаются последующие с меньшими амплитудами и длиной фронта: средние значения соответственно 12 кА и 0,6 мкс. При этом крутизна (скорость нарастания) тока на фронте последующих импульсов выше, чем для первого импульса. Ток непрерывной составляющей нисходящей молнии варьируется от единиц до сотен ампер и существует на протяжении всей вспышки, продолжающейся в среднем 0,2 с, а в редких случаях 1-1,5 с. Заряд, переносимый в течение всей вспышки молнии, колеблется от единиц до сотен кулон, из которых на долю отдельных импульсов приходится 5-15, а на непрерывную составляющую 10-20 Кл. Нисходящие молнии с положительными импульсами тока наблюдаются примерно в 10% случаев. Часть из них имеет форму, аналогичную форме отрицательных импульсов. Кроме того, зарегистрированы положительные импульсы с существенно большими параметрами: длительностью около 1000 мкс, длиной фронта около 100 мкс и переносимым зарядом в среднем 35 Кл. Для них характерны вариации амплитуд тока в очень широких пределах: при среднем токе 35 кА в 1-2% случаев возможно появление амплитуд свыше 500 кА. Накопленные фактические данные о параметрах нисходящих молний не позволяют судить об их различиях в разных географических регионах. Поэтому для всей территории СССР их вероятностные характеристики приняты одинаковыми. Восходящая молния развивается следующим образом. После того как восходящий лидер достиг грозового облака, начинается процесс разряда, сопровождающийся примерно в 80% случаев токами отрицательной полярности. Наблюдаются токи двух типов: первый - непрерывный безымпульсный до нескольких сотен ампер и длительностью в десятые доли секунды, переносящий заряд 2-20 Кл; второй характеризуется наложением на длительную безымпульсную составляющую коротких импульсов, амплитуда которых в среднем составляет 10-12 кА и лишь в 5 % случаев превышает 30 кА, а переносимый заряд достигает 40 Кл. Эти импульсы сходны с последующими импульсами главной стадии нисходящей отрицательной молнии. В горной местности восходящие молнии характеризуются более длительными непрерывными токами и большими переносимыми зарядами, чем на равнине. В то же время вариации импульсных составляющих тока в горах и на равнине отличаются мало. На сегодняшний день не выявлена связь между токами восходящей молнии и высотой сооружений, с которых они возбуждаются. Поэтому параметры восходящих молний и их вариации оцениваются как одинаковые для любых географических регионов и высот объектов. В РД 34.21.122-87 данные о параметрах токов молнии учтены в требованиях к конструкциям и размерам средств молниезащиты. Например, минимально допустимые расстояния от молниеотводов и их заземлителей до объектов I категории (пп. 2.3-2.5 *) определены из условия поражения молниеотводов нисходящими молниями с амплитудой и крутизной фронта тока в пределах соответственно 100 кА и 50 кА/мкс. Этому условию соответствует не менее 99% случаев поражения нисходящими молниями. Во время грозы разряды
атмосферного электричества, имеющего напряжение до 150000000 В и силу
тока до 200000 А, способны вызвать взрывы, загорания и разрушения
наземных объектов. В целях обеспечения безопасности людей,
сохранности зданий и сооружений, оборудования и материалов от
электрических, тепловых и механических воздействий молнии выполняется
молниезащита. Молниезащита представляет
собой комплекс защитных устройств, предусмотренных СН 305-77.
Нормами установлены три категории устройств молниезащиты в
зависимости от взрывной и пожарной опасности, вместимости,
огнестойкости и назначения защищаемых объектов, а также с учетом
средней грозовой деятельности в год в географическом районе
расположения объекта. Объекты I и II категорий
защищают от прямых ударов молнии, от электростатической и
электромагнитной индукции, от заноса высоких потенциалов через
надземные и подземные металлические коммуникации. Объекты III категории
защищают от прямых ударов молний и от заноса высоких потенциалов
через надземные металлические коммуникации, а установки с корпусами
из железобетона или синтетических материалов и плавающие крыши -
и от электростатической индукции. Наиболее опасен прямой
удар молнии, когда возникает непосредственный контакт молнии с
объектом, сопровождающийся протеканием через него тока молнии. Защита
зданий и сооружений от прямых ударов молнии осуществляется
молниеотводами, воспринимающими молнию и отводящими ее ток в землю. Защитное действие
молниеотвода основано на том, что молния поражает наиболее высокие и
хорошо заземленные металлические сооружения. Следовательно,
сооружение не будет поражено молнией, если оно находится в зоне
защиты молниеотвода. Зона защиты молниеотвода - часть
пространства, примыкающая к молниеотводу, которая обеспечивает защиту
сооружения от прямых ударов молнии с достаточной степенью надежности
(99%). Быстрые изменения тока
молнии порождают электромагнитную индукцию - наведение
потенциалов в незамкнутых металлических контурах, создающее опасность
искрения в местах сближения этих контуров. Это называется вторичным
проявлением молнии. Возможен также занос
наведенных молнией высоких электрических потенциалов в защищаемое
здание по внешним металлическим сооружениям и коммуникациям. Защита от
электростатической индукции достигается путем присоединения
металлических корпусов электрооборудования к защитному заземлению или
к специальному заземлителю. Для защиты от заноса
высоких потенциалов подземные металлические коммуникации при вводе в
защищаемый объект присоединяют к заземлителям защиты от
электростатической индукции или электрооборудования. Молниеотводы состоят из
несущей части (опоры), молниеприемника, токоотвода и заземлителя.
Существует два типа молниеотводов: стержневой и тросовый. Они могут
быть отдельно стоящие, изолированные и не изолированные от
защищаемого здания или сооружения (рис. 86, а-в). Рис. 86. Виды
молниеотводов и их защитные зоны
: а -
стержневой одиночный; б - стержневой двойной; в -
антенный; 1 - молниеприемник; 2 - токоотвод, 3 - заземление Стержневые
молниеотводы представляют собой один, два или больше вертикальных
стержней, устанавливаемых на защищаемом сооружении или вблизи него. Тросовые
молниеотводы - один или два горизонтальных
троса, каждый закрепленный на двух опорах, по которым прокладывают
токоотвод, присоединенный к отдельному заземлителю; опоры тросового
молниеотвода устанавливают на защищаемом объекте или вблизи него. В
качестве молниеприемников используют круглые стальные стержни, трубы,
стальной оцинкованный трос и др. Токоотводы выполняют из стали любой
марки и профиля сечением не менее 35 мм 2 . Все части
молниеприемников и токоотводов соединяют сваркой. Заземлители бывают
поверхностные, углубленные и комбинированные, изготовленные из стали
различного сечения или труб. Поверхностные заземлители
(полосовые,
горизонтальные) укладывают на глубине 1 м и более от поверхности
земли в виде одного или нескольких лучей длиной до 30 м. Углубленные
заземлители (стержневые вертикальные) длиной 2-3 м забивают
в грунт на глубину 0,7-0,8 м (от верхнего конца заземлителя до
поверхности земли). Сопротивление заземлителя
для каждого отдельно стоящего молниеотвода не должно превышать для
молниезащиты зданий и сооружений I и II категорий - 10 Ом и III
категории - 20 Ом. (Инструкция по устройству молниезащиты зданий, сооружений и промышленных коммуникаций. CO-153-34.21.122-2003) Молниеотвод
(громоотвод
) - конструкция, устанавливаемая на зданиях и сооружениях и служащая для защиты от удара молнии. Молниеприемник
- часть молниеотвода, предназначенная для перехвата молний. Основополагающим Правилом для заземления является глава ПУЭ 1.7. Некоторые пункты из инструкции III категории - РД 34.21.122-87: 3.2.1.1. Общие соображения
3.2.1.2. Естественные молниеприемники
Молниеприемник - минимальные сечения:
Таблица 3.2 Толщина кровли, трубы или корпуса резервуара, выполняющих Внимание. Молниеприемник укреплен над домом на верхушке специальной мачты или на элементе конструкции крыши (трубе, фронтоне и т. п.), конец пики молниеприемника работает тем эффективнее, чем он острее заточен. Однако слишком тонкое острие при ударе молнии может оплавиться, да и стойкость его к атмосферному воздействию невелика - быстро проржавеет. Поэтому приходится идти на компромисс и делать конец достаточно тонким, но и долговечным. Применяющиеся на практике варианты оформления рабочего конца молниеприемника показаны на рис. Теперь о крыше. Если она вся помещена в конус, то проблемы нет. Но если, скажем, крыша двускатная, ее фронтоны не впишутся в защитный конус. Можно бы поднять молниеприемник повыше, но это слишком лобовое, пораженческое решение. Лучше проблему обойти. Например, если поставить два молниеотвода(громоотвод), их конусы охватят всю крышу. Кстати, для длинного узкого дома это тоже хорошее решение: оно позволит уменьшить высоту конструкции по сравнению со случаем одной мачты. Можно создать отдельную защиту углов крыши маленькими молниеотводами(громоотвод). Вообще говоря, металлическая крыша сама может служить молниеприемником(CO-153-34.21.122-2003. - 3.2.1.2. Естественные молниеприемники). Если использовать ее в этом качестве(с учетом требований - 3.2.1.2.Естественные молниеприемники), то необходимо оба ската соединить томоотводами с заземлителями.
;
;
;
;
;
; ;
; ;
; ;
;
§ 7. Молниезащита. Виды
молниеотводов и их защитные зоны: стержневой одиночный, стержневой двойной,
антенный.
Молниеприемник - часть молниеотвода(громоотвода).
Заземлитель для молниеприемника.
Производя монтаж заземления(искусственных заземлителей) для молниеприемника/ков, следует ДОПОЛНИТЕЛЬНО руководствоваться молниезащитой I-II-III категории - РД 34.21.122-87.
В которй прописаны допустимые конструктивные особенности - минимальное количество, расположение и длина вертивальных и горизонтального заземлителей.
Например, при наличии защиты(III категории) от молний в частном доме, придется установить, как минимум два вертикальных заземлителя длиной не менее 3м, разнесённых на расстояние не менее 5 метров и соединённых между собой горизонтальным проводником вместе с заземлителем электроустановки.
Если простыми словами - в загородном доме у электропроводки и молниезащиты должно быть общее заземление, состоящее не менее чем из двух вертикальных электродов.
...Во всех возможных случаях заземлитель защиты от прямых ударов молнии
должен быть объединен с заземлителем электроустановки, указанным в гл. 1.7 ПУЭТребования для молниеприемников(CO-153-34.21.122-2003).
Молниеприемники могут быть специально установленными, в том числе на объекте, либо
их функции выполняют конструктивные элементы защищаемого объекта в последнем
случае они называются естественными молниеприемниками.
Молниеприемники могут состоять из произвольной комбинации следующих элементов:
стержней, натянутых проводов (тросов), сетчатых проводников (сеток).
Следующие конструктивные элементы зданий и сооружений могут рассматриваться как
естественные молниеприемники:
а) металлические кровли защищаемых объектов при условии, что: электрическая
непрерывность между разными частями обеспечена на долгий срок;
толщина металла кровли составляет не менее значения t, приведенного в табл. 3.2, если
необходимо предохранить кровлю от повреждения или прожога;
толщина металла кровли составляет не менее 0,5 мм, если ее необязательно защищать от
повреждений и нет опасности воспламенения находящихся под кровлей горючих
материалов;
кровля не имеет изоляционного покрытия. При этом небольшой слой антикоррозионной
краски или слой 0,5 мм асфальтового покрытия, или слой 1 мм пластикового покрытия не
считается изоляцией;
неметаллические покрытия на/или под металлической кровлей не выходят за пределы
защищаемого объекта;
б) металлические конструкции крыши (фермы, соединенная между собой стальная
арматура);
в) металлические элементы типа водосточных труб, украшений, ограждений по краю
крыши и т.п., если их сечение не меньше значений, предписанных для обычных
молниеприемников;
г) технологические металлические трубы и резервуары, если они выполнены из металла
толщиной не менее 2,5 мм и проплавление или прожог этого металла не приведет к
опасным или недопустимым последствиям;
д) металлические трубы и резервуары, если они выполнены из металла толщиной не
менее значения t, приведенного в табл. 3.2, и если повышение температуры с внутренней
стороны объекта в точке удара молнии не представляет опасности.
функции естественного молниепрнемннка
Приведенные ниже схемы являются иллюстрацией и не могут без предварительного анализа реальных требований и расчетов использоваться при монтаже:
Возникает законный вопрос - а где гарантия того, что молния ударит именно в молниеотвод(громоотвод), а не рядом, в здание? Если мысленно представить себе конус с вершиной на острие молниеприемника и с углом при вершине примерно 90°, то все, что оказалось внутри конуса, находится под защитой молниеотвода(громоотвод) .
Приближенно можно считать, что если поперечник дома вписывается в окружность радиуса R, то молние-приемник должен возвышаться над стенами дома на высоту h(м) = R(m), а значит, от земли - на высоту Н = h + h o .Так, для квадратного сруба 10 х 10 м поперечник дома составит около 14 м, радиус зоны защиты R = 7 м.
