Проектирование устройств - молнией защиты

        Проектирование  УСТРОЙСТВ МОЛНИЕЗАЩИТЫ

 

Разряды молнии представляют большую  опасность для людей, здании, сооружений, инженерных коммуникаций. Опасными проявлениями молнии являются как прямой удар, так и вторичные воздействия - электромагнитная и электростатическая индукции, занос высоких потенциалов через наземные и подземные металлические коммуникации. Вторичные проявления молнии приводят к наведению потенциалов на металлических элементах конструкций, оборудовании, к опасности образования искрения внутри объекта.

Для защиты здании, сооружений, коммуникаций и людей от опасного воздействия ударов молнии выполняют устройства молниезащиты.

Защита от прямых ударов молнии осуществляется молниеотводами, воспринимающими удар молнии и отводящими его в землю Для защиты от вторичных воздействий молнии выполняют соединение всех металлических конструкций и корпусов оборудования и аппаратов, находящихся в защищаемом здании, и присоединение их к заземляющему устройству электроустановок или к железобетонному фундаменту здания, а также ряд других мероприятий.

Молниезащита зданий и сооружений выполняется в соответствии с  требованиями «Инструкции по устройству молниезащиты зданий, сооружений и  промышленных коммуникаций», утвержденной Минэнерго России 30.06.2003 г. и, ведомственными нормативными документами и утвержденного рабочего проекта.

Необходимость устройства молниезащиты определяется в зависимости от опасности ударов молнии для самого объекта и его окружения с учетом среднегодовой продолжительности гроз. Значение среднегодовой продолжительности гроз на территории России приводятся на картах, представленных в ПУЭ. или по региональным картам интенсивности грозовой деятельности.

Комплекс средств молниезащиты зданий или сооружений включает в себя устройства защиты от прямых ударов молнии (внешняя молниеэащитная система (МЗС)) и устройства зашиты от вторичных воздействий молнии (внутренняя МЗС). Внутренние устройства молниезащиты предназначены для ограничения вторичных воздействий молнии — электромагнитных воздействий тока молнии, а также заноса высоких потенциалов.

В частных случаях молниезащита может содержать только внешние или только внутренние устройства. В общем случае часть токов молнии внешней системы протекает по элементам внутренней молниезащиты. Токи молнии, попадающие в молннеприемники, отводятся в заземлитель через систему токоотводов (спусков) и растекаются в земле.

Выбор типа и размещение элементов устройств молниезащиты производят при проектировании. Выбор и размещение производят так, чтобы иметь возможность максимально использовать проводящие элементы защищаемого объекта при максимальной эффективности молниезащиты.

Внешняя молниеэащитная система, в  общем случае, состоит из молниеприемников, токоотводов и заземлителей.

Молннеприемники могут быть выполнены из произвольной комбинации стержней; проводов (тросов) натянутых над сооружением; проводников выполненных в виде сеток. Такие молниеприемники называются искусственными. Если функции молниеприемника выполняют конструктивные элементы защищаемого объекта, то они называются естественными молниеприемниками.

Молниеприемники могут быть изолированы  от сооружения (отдельно стоящие молниеприемники, стержневые или тросовые, а также соседние сооружения, выполняющие функции естественных молниеотводов), или могут быть установлены на защищаемом сооружении и даже быть его частью.

На рисунке 1 приведены возможные варианты устройств молниезащиты от прямых ударов молнии.

Токоотводы это металлические проводники, которые служат для соединения молннеприемников с заземлителем.

Заземлители обеспечивают растекание токов молнии в земле. Заземлители устройств молниезащиты во всех случаях, за исключением использования отдельно стоящего молниеотвода, совмещается с заземлителями электроустановок или средств связи. Если эти заземлители разделяются по каким-либо технологическим соображениям, их следует объединить в общую систему с помощью системы уравнивания потенциалов.

В 2007 Управление государственного энергетического  надзора разрешило применение на территории РФ молниезашитного устройства фирмы « FOREND» для защиты объектов от прямых ударов молнии

Устройство предназначено для  защиты объектов от прямых ударов молнии без применения дополнительной  молнисзашитной сетки на кровли здания.

Принцип действия устройства основан  на способности конденсаторов заряжаться от электростатического заряда грозового облака

Электрическая схема устройства включает высоковольтные резисторы и конденсаторы, соединенные по схеме генератора импульсов. Все эти элементы размещаются в корпусе цилиндрической формы из нержавеющей стали, образуя так называемую, головную часть устройства - головку. Головка навинчивается на мачту, которая устанавливается над защищаемым объектом. Корпус головки соединяется с помощью токоотвода с заземлителем.

При приближении грозового  облака к защищаемому объекту  нарастает напряженность электростатического  поля у поверхности земли, что  приводит к заряду конденсаторов  устройства «FOREND». При достижении на конденсаторах напряжения 12-14 кВ происходит пробой разрядников, и формируется короткий импульс напряжением до 200кВ. Полярность импульса противоположна полярности грозового фронта. Импульс инициирует направленный в сторону грозового фронта стример (проводящий канал в воздухе), который обеспечивает разряд молнии в землю. Этот процесс, как бы повышает действующую высоту молниеотвода.

Зоны защиты традиционных молниеотводов с одно стержневыми, тросовыми молниеприемниками и  молниеприемниками в виде сетки определяются в соответствии с  методикой их расчета, представленной в «Инструкции по устройству молниезащиты зданий, сооружений и промышленных коммуникаций». Зона защиты устройства фирмы «FOREND» имеет, по утверждению разработчиков, более удачную форму и позволяет более надежно защитить больший объем и площадь.

Монтаж молниезашитного  устройства фирмы «FOREND» заключается в навинчивании на мачту, установленную над защищаемым сооружением (молниеприемник) корпуса головки с генератором импульсов и соединении ее токоотводом с заземлителем.

Если головка устройства размещается на сборной антенной мачте, то острие головки должно находиться на 2 м выше антенн.

                            

                                                              в                                                                 

 

Рис.1. Устройства защиты от прямых ударов молнии:

а - отдельно стоящим молниеотводом; 6 - молниеотводом установленным  на

здании; в - молниеотводом с тросовым молниеотводом;  г -  молниеотводом  с

сетчатым молниеприемником. накладываемым на кровлю

 

Все объекты по требованиям к  устройству их молниеэащиты подразделяются на обычные и специальные.

Обычные объекты — это жилые  и административные строения, а также  здания и сооружения, высотой не более 60 м, предназначенные для торговли, промышленного производства, сельского хозяйства.

Специальные объекты - объекты, представляющие опасность для непосредственного  окружения:

- для социальной и физической  окружающей среды (объекты, которые при поражении молнией могут вызвать вредные биологические, химические и радиоактивные выбросы);

- прочие объекты, для которых  может предусматриваться специальная молниезащита, например, строения высотой более 60 м, игровые площадки, временные сооружения, строящиеся объекты.

По уровню молниезащиты объекты подразделяются на четыре класса.

В табл. 2. приводятся примеры разделения объектов на классы.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                                                                                                    Таблица 2

Примеры классификации объектов (Табл 2.1 «Инструкции »)

Объект	Тип объекта		Последствия удара молнии
	Жилой дом		Отказ электроустановок, пожар и           повреждение имущества. Обычно небольшое  повреждение предметов, расположенных  в месте удара молнии или задетых ее каналом
Класс 1   Обычные объекты	Ферма		Первоначально - пожар и занос  опасного напряжения, затем- потеря электропитания с риском гибели животных из-за отказа электронной системы управления вентиляцией, подачи корма н  т.д..
	Театр; школа; универмаг; спортивное сооружение		Отказ электроснабжения (например, освещения) способный вызвать панику. Отказ  системы пожарной сигнализации, вызывающий задержку противопожарных мероприятий,
	Банк, страховая компания; коммерческий офис		Отказ электроснабжения (например, освещения), способный вызвать панику. Отказ системы пожарной сигнализации, вызывающий задержку противопожарных мероприятии. Потери средств связи, сбои компьютеров с потерей данных
	Больница; детский сад: дом престарелых		Отказ электроснабжения (например, освещения), способный вызвать, панику. Отказ  системы пожарной сигнализации, вызывающий задержку противопожарных мероприятий. Потери средств связи, сбои компьютеров  с потерей данных. Наличие тяжелобольных  и необходимость помощи неподвижным людям
	Промышленные предприятия		Дополнительные последствия, зависящие  от условий производства - от незначительных повреждений до больших ущербов  из-за потерь продукции
	Музеи   и археологические памятники		Невосполнимая потеря культурных ценностей
Таблица 2 (продолжение)
Класс 2 Специальные     объекты  с ограниченной     опасностью		Средства связи; электростанции; пожароопасные  производства		Недопустимое нарушение коммунального  о6служиваиия (телекоммуникаций). Косвенная  опасность пожара для соседних объектов
Класс 3 Специальные     ' объекты,            представляющие  опасность для     |непосредственного окружения		нефтеперерабатывающие предприятия, заправочные станции, производства петард и фейерверков		Пожары и взрывы внутри объекта и в непосредственной близости
Класс 4 Специальные      объекты, опасные  для экологии		Химический завод; атомная электростанция; химические фабрики и лаборатории		Пожар и нарушение работы оборудования с вредными последствиями для  окружающей среды

 

 Для обычных объектов, к которым  относятся жилые и общественные здания

 

Для обычных объектов, к которым  относятся жилые и общественные здания и сооружения, «Инструкция»

 предусматривает четыре уровня  надежности защиты от прямых  ударов молнии, указанные в табл. 3.

 

 

 Таблица 3.

Уровни надежности защиты от прямых ударов  молнии для обычных  объектов

 

Уровень защиты	Надежность защиты от прямых ударов молнии (ПУМ)
I	0,98
II	0,95
Ш	0,90
IV	0,80

 При проектировании устройств  молниезащиты объекта требуется установить его класс, принять необходимый уровень надежности защиты от прямых ударов молнии, определить объем защитных мер от вторичных воздействии молнии.

Исходные данные для проектирования молниезащиты объектов составляются заказчиком с привлечением при необходимости проектной организации. Они должны включать:

- генеральный план объектов  с указанием расположения всех  объектов, подлежащих молниезащнте, автомобильных и железных дорог, наземных и подземных коммуникаций (теплотрасс, технологических и сантехнических трубопроводов, электрических кабелей и проводок любого назначения и т.п.);

- уровень надежности молниеэащиты  каждого объекта;

- данные о климатических условиях  в районе размещения защитных устройств и сооружений (интенсивности грозовой деятельности, скоростном напоре ветра, толщине стенки гололеда и т. п.), характеристику грунта с указанием структуры, агрессивности и рода почвы, уровня грунтовых вод;

- удельное электрическое сопротивление  грунта (Омхм) в местах расположения  объектов.

Основной задачей проектирования устройств молниеэащиты является определение требуемого уровня надежности; а также выбор и размещение элементов устройств молниеэащиты. Выбор и размещение элементов устройств молниеэащиты производят так, чтобы иметь возможность максимально использовать проводящие элементы проектируемого объекта. Это  позволит улучшить внешний вид объекта, повысить эффективность молниезащиты. При разработке технической документации необходимо максимально использовать типовые конструкции молниеотводов и заземлителей.

На основании принятых  решений  определяются зоны защиты молниеотвода. Зона защиты молниеотвода — пространство внутри которого объект защищен от прямых ударов молнии с надежностью не ниже определенного уровня. Для определения зоны защиты необходимо произвести расчеты.

Существуют  методики расчетов зон  защиты молниеотводов с различными типами молниеприемников: отдельно стоящего со стержневым молниеприемником, одиночного тросового, двойного стержневого (со стержневым молниеприемником), двойного тросового, замкнутого тросового.

 Рекомендуется  применять  упрощенные методы определения зон защиты для объектов высотой до 60 м: метод защитного угла, метод фиктивной сферы и способ защиты с применением молниеприемника в виде защитной сетки.

При проектировании способ защиты и  метод расчета выбирается то рекомендациям  приведенным в таблице 4.Практика проектирования показывает целесообразность использования определенных методов расчета в следующих случаях:

- метод защитного  угла используется для простых по форме сооружений или для малых частей больших сооружений;

- способ защиты  с применением молниеприемника  в виде защитой сетки и соответствующий метод расчета целесообразно приметь в общем случае и особенно для защиты поверхностей;

- метод фиктивной сферы — для сооружений сложной формы.

В табл. 4. приводятся значения углов при вершине зоны защиты, радиусы фиктивной сферы, а также предельно допустимый шаг ячейки  сетки для уровней защиты 1-1V    

 

 

 

 

 

 

Таблица 4.

Параметры для расчета  молниеприемников по рекомендациям МЭК

Уровень защиты	Радиус фиктивной сферы  R,   м	Угол   α  при вершине молниеотвода для зданий различной высоты h, м				Шаг ячейки сетки, м
		20	30	45	60
1	20	25	*	*	*	5
II	30	35	25	*	*	10
Ш	45	45	35	25	*
IV	60	55	45	35	25	20

*В этих случаях применимы  только сетки или фиктивные  сферы.

 

При использовании метода защитного  угла, стержневые молниеприемники, мачты  и тросы размещаются так, чтобы  все части защищаемого сооружения, находились в зоне защиты, образованной под углом  а  к вертикали. Защитный угол выбирается по табл. 4, причем h является высотой молниеотвода над поверхностью, которая будет защищена.

Метод защитного угла не используется, если h больше, чем радиус фиктивной сферы, определенный в табл. 4 для соответствующего уровня защиты.

Метод фиктивной сферы используется, чтобы определить зону защиты для  части или областей сооружения, когда  согласно табл. 4 исключено определение  зоны защиты по защитному углу. Объект считается защищенным, если фиктивная сфера, касаясь поверхности молниеотвода и плоскости, на которой тот установлен, не имеет общих точек с защищаемым объектом.