Допустимые расстояния между молниеотводом и защищаемым объектом

Защищаемый объект должен полностью входить в зону защиты молниеотводов. Вместе с тем он должен располагаться на определенном расстоянии от них. Если это расстояние меньше допустимого, то при ударах молнии могут происходить перекрытия с частей молниеотвода на защищаемый объект.

Молниезащитное устройство, включающее в себя молниеприемники, токоотводы и заземлитель, обладает электрическим сопротивлением: активным и индуктивным. Наиболее существенную часть активного сопротив­ления составляет сопротивление заземления молниезащитного устройства, т. е. переходное сопротивление между заземлителем и грунтом. Токоотводы в электрическом отношении представляют собой индуктивность, величина которой зависит прежде всего от длины токоотвода.

Ток молнии, проходя по молниеотводу, создает падение напряжения на сопротивлении заземления и индуктивности токоотвода. Падение напряжения U_R на сопротивлении заземления равно произведению его величины R_И и тока молнии I_М-

U_R = I_MR_И. (10)

Падение напряжения U_L на индуктивности токоотводящего спуска равно произведению ее величиныL и средней скорости (крутизны) нарастания тока молнииа:

U_L = aL. (11)

Максимальный потенциал в точке токоотвода, распо­ложенный на расстоянии l от заземлителя (рис. 11), при ударе молнии в молниеотвод будет составлять:

Ui =I_MR_И +aL. (12)

Для расчета потенциала молниеотвода принимаются амплитуда тока молнии I_м = 150 ка и средняя крутизна его фронта а = 30 ка/мксек. Индуктивность токоотвода L можно выразить через произведение удель­ной индуктивности L₀ (индуктивности единицы длины) на длину участка токоотвода l:

L=L₀l. (13)

Как для металлических молниеотводов решетчатой конструкции, так и для отдельно проложенных токоотводящих проводников удельная индуктивность составляет в среднем L₀ ≈ 1,7 мкгн/м. Таким образом, для расчетных условий имеем:

U_l=150R_И+30·1,7l, кв (14)

Рис. 11. К определению допустимого расстояния между молниеотводом и защищаемым сооружением

1-деревянная стойка молниеотвода; 2- молниеприемник; 3-токоотводящий спуск, укрепленный на стойке; 4- заземлитель; 5- подземные коммуникации.

Амплитуда напряжения на молниеотводах оказывается весьма высокой, например, при R_И =10 ом и на рас­стоянии l=10 м от заземлителя получаем:

U_l= 150 · 10 + 30· 1,7· 10 = 2000 кв.

Потенциал заземлителя при этом

U₃ = I_mR_и= 150·10=1 500 кв.

Очевидно, чтобы не было перекрытия с молниеотвода на защищаемый объект, прочность изоляции между ними должна быть выше величины напряжения на молниеот­воде.

В том случае, когда объект и молниеотвод разделены воздушным промежутком длиной b, то необходимо вы­полнить условие

(15)

где Е — допустимая средняя напряженность электриче­ского поля в воздухе, при которой невозможен пробой промежутка между молниеотводом и объектом; она равна 500 кв/м.

Если в (15) подставить значение Е и U_l из (14), то получим:

(16)

Чтобы исключить возможность перекрытия в земле с заземлителя на входящие в здание металлические коммуникации, электрический кабель и др., нужно выдержать между ними расстояние

(17)

где = 300 кв/м — допустимая средняя напряженность электрического поля в земле.

Таким образом, допускаемое расстояние в точках сближения молниеотвода и объекта зависит от сопро­тивления заземления молниеотвода и высоты над зем­лей точки сближения. Если известны b, d и l, то по формулам (16) и (17) легко найти величину сопротивления заземления, обеспечивающую безопасность сближения.

Совершенно аналогичное положение возникает в случае удара молнии в защищенное здание. В этом случае между молниезащитным устройством и заземленными объектами внутри здания (электропроводкой, трубопроводами различного назначения, металлическим каркасом лифта и т. п.) также должно быть обеспечено необходимое расстояние, иначе между ними произойдет пробой, который вызовет местное повреждение здания и может оказаться опасным для людей. Расчет необходимого расстояния в месте сближения в случае одного токоотвода может производиться по формуле (16), однако если часть промежутка b занимает кирпичная (или из какого-либо другого непроводящего материала) стена, то ее следует учитывать утроенной толщиной.

Если здание имеет несколько токоотводящих спусков, то допустимое расстояние в точке сближения с одним из токоотводов определяется по формуле

, (18)

где n — число токоотводящих спусков.

Если используется в качестве токоотвода стальной каркас здания или разветвленная водопроводная сеть, то второй член в (18) практически не оказывает влияния на величину b из-за своей малости. Основную роль играет величина сопротивления заземления.

Заметим также, что если токоотводящий спуск имеет петлю длиной l (рис. 9,а), то падение напряжения на этой петле составит U_i = aL₀l = 30 · 1,7l = 50l. Чтобы не было пробоя между точками 1 и2, необходимо выполнить условие

(19)

В случае, если ни конструктивно, ни снижением величины сопротивления заземления не удается обеспечить требуемого расстояния между токоотводом и заземленными частями внутри здания, необходимо последние присоединить вблизи мест сближения к молниезащитному устройству, а в нижней части — к заземлителю.

Электропроводка при этом должна быть проложена в металлических трубах, которые также внизу присоединяются к заземлителю, а в местах сближения — к молниезащитной системе. Электрическая емкость между трубой и лежащей внутри нее электропроводкой доста­точно велика, а как известно, емкостное сопротивление обратно пропорционально величине емкости и частоте тока. Поэтому при прохождении тока молнии, эквивалентного току весьма высокой частоты, емкостное сопротивление между проводкой и трубой ничтожно, и, таким образом, оказывается, что проводка и труба практически имеют между собою электрическое соединение. Этот эффект спасает изоляцию электропроводки от пробоев.

Расчет молниезащиты

Рассчитать молниезащиту — это значит определить тип защиты, ее зону и параметры

По типу молниезащита (м/з) может быть следующей:

— одностержневой;

— двухстержневой одинаковой или разной высоты;

— многократной стержневой;

— одиночной тросовой;

— многократной тросовой.

По степени надежности защиты различают два типа зон:

А — степень надежности защиты ≥ 99,5 %;

Б — степень надежности защиты 95... 99,5 %.

Параметрами молниезащиты являются:

h — полная высота стержневого молниеотвода, м;

h₀ — высота вершины конуса стержневого молниеотвода, м;

h_x — высота защищаемого сооружения, м;

h_м — высота стержневого молниеприемника, м;

h_а — активная высота молниеотвода, м;

r₀, r_х — радиусы защиты на уровне земли и на высоте защищаемого сооружения, м;

h_с — высота средней части двойного стрежневого молниеотвода, м;

2r_с, 2r_х — ширина средней части зоны двойного стержневого молниеотвода на уровне земли и на высоте защищаемого объекта, м;

α— угол защиты (между вертикалью и образующей), град;

L — расстояние между двумя стержневыми молниеотводами, м;

а —длина пролета между опорами троса, м;

h_оп — высота опоры троса, м;

r_х + r'_х —- ширина зоны тросового молниеотвода на уровне защищаемого сооружения, м;

а + 2r_cх — длина зоны двойного тросового молниеотвода на уровне защищаемого сооружения, м;

а + 2r_с — длина зоны двойного тросового молниеотвода на уровне земли, м.

Ожидаемое количество поражений (N) молнией в год производится по формулам:

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

где h_x— наибольшая высота здания или сооружения, м;

п — среднегодовое число ударов молнии в 1 км² земной поверхности в месте нахождения здания или сооружения (т. е. удельная плотность ударов молнии в землю), 1/(км² год), определяется по таблице 1.14.2;

— для зданий и сооружений прямоугольной формы

,

где А и В — длина и ширина здания или сооружения, м.

Примечание. Если здание и сооружение имеют сложную конфигурацию, то А и В — это стороны прямоугольника, в который вписывается на плане защищаемый объект.

Таблица 1.

Зависимость n=F(t_ср)

tср, ч/год	10…20	21…40	41…60
n, 1/(км2•год
tср, ч/год	61…60	81…100	101 и более
n, 1/(км2•год)	5,5		8,5

Примечание. t_ср – среднегодовая продолжительность гроз, ч/год. Определяется по картам, составленным на основании метеосводок за 10 лет.

Таблица 2.

Расчетные формулы молниеотводов при м