Необходимость молниезащиты
Молниезащитой называется комплекс различного рода мероприятий и средств для их осуществления, обеспечивающих безопасность людей, сохранность зданий и сооружений, оборудования и материалов от прямых ударов молнии, электромагнитной и электростатической индукции, а также от заноса высоких потенциалов через металлические конструкции и коммуникации.
На земном шаре ежегодно происходит до 16 млн гроз, т. е. около 44 тыс. за день. При этом ожидаемое число поражений молнией в год зданий и сооружений, не оборудованных молниезащитой, можно определить по формуле
N=10-6n[(a+6hx)(b+6hx)-7,7hx2],
где п — среднее число поражений молнией 1 км2 земной поверхности в год, зависящее от интенсивности грозовой деятельности, изменяющееся в пределах 2,5...7,5: для средней полосы России можно принять п = 5; a, b — соответственно длина и ширина защищаемого здания или сооружения, м; hx — высота здания (сооружения) по его боковым сторонам, м.
Для дымовых труб котельных, водонапорных и силосных башен, мачт, деревьев и других объектов ожидаемое число ударов молнии в год определяют по формуле
N = 10-6πr2 n,
где r— эквивалентный радиус, м: r= 3,5A; h — высота объекта, м.
Прямой удар молнии очень опасен для людей, зданий и сооружений вследствие непосредственного контакта канала молнии с поражаемыми объектами. Убытки только от пожаров и взрывов, вызванных этим явлением, в ряде случаев колоссальные. Прямой удар молнии также может производить сильные механические разрушения, приводя в негодность чаще всего дымовые трубы, мачты, вышки, а иногда и стены зданий. Вместе с тем расчеты показывают, что затраты на осуществление молниезащитных мероприятий приблизительно в 1,5 раза меньше стоимости сгоревших за пять лет зданий и сооружений.
Существуют две основные разновидности молний: линейные и шаровые.
Линейная молния представляет собой разряд атмосферного электричества между облаками или между облаками и землей, происходящий за десятитысячные доли секунды, сопровождающийся громом и протеканием тока в десятки килоампер (в некоторых случаях до 500 кА). Путь молнии ветвистый, так как на ее пути встречаются участки воздуха с различными свойствами, а разряд всегда выбирает путь наименьшего сопротивления. При приближении разряда к земной поверхности на его дальнейшее продвижение начинают влиять другие факторы. Чаще всего разряд устремляется к возвышенным местам рельефа земли (холмы и т. п.) или к высоким строениям (трубы, мачты и др.), где заряды противоположного знака (положительные) особенно велики.
На избирательность разряда влияет и электрическая проводимость грунта. Нередки случаи прямого попадания молнии в дно глубоких оврагов с влажной почвой, обладающей хорошей электропроводностью. Поэтому в холмистой местности наиболее безопасными считаются каменистые и песчаные склоны, так как большое электрическое сопротивление грунта в таких местах снижает вероятность попадания в них молнии. При нахождении человека во время грозы на равнинной местности ему не следует идти, стоять или располагаться вблизи деревьев. В этом случае безопаснее сесть на какой-нибудь камень. При ударе молнии в автомобиль или трактор люди обычно не страдают, потому что металлическая кабина отводит возникающие при разряде токи мимо них в землю. Не имеющее молниеотвода здание с неметаллической крышей не всегда обеспечивает полную безопасность, так как при ударе молнии в строения такого типа возможны разряды со стен и крыши внутри здания.
Шаровая молния встречается сравнительно редко, примерно в 300...500 раз реже линейной. Она имеет вид светящегося шара, иногда вытянутого в форме груши. Температура шаровой молнии 3000...5000 °С, диаметр 10...20 см, а длительность существования от долей секунды до нескольких минут. Она способна перемещаться со скоростью до 2 м/с чаще всего по извилистому пути и в большинстве случаев в направлении ветра. При соприкосновении с шаровой молнией на теле человека возникают сильные ожоги, иногда приводящие к смерти.
Шаровая молния проникает в помещения через открытые окна, двери, дымоходы и даже через небольшие щели или замочные скважины, а иногда по электропроводке. После нескольких перемещений она может исчезнуть, но часто шаровая молния взрывается, что приводит к воспламенению сгораемых предметов, механическим разрушениям и в отдельных случаях к гибели людей.
Средства защиты от линейных молний часто неэффективны против шаровой. Поэтому рекомендуется дополнительно во время грозы закрывать все окна, двери, дымоходы и т. п., а вентиляционные решетки снабжать заземленными металлическими сетками, выполненными из проволоки диаметром 2...2,5 мм, с ячейками площадью 3...4 см2.
КАТЕГОРИИ МОЛНИЕЗАЩИТЫ
В зависимости от значимости объекта, наличия и класса взрыво- и пожароопасных зон в производственных зданиях, а также от вероятности поражения молнией применяют (если требуется) одну из трех категорий молниезащиты.
Молниезащиту I категориииспользуют для промышленных зданий со взрывоопасными зонами (помещениями) классов B-I и В-II.
Молниезашиту II категориивыполняют для производственных объектов с зонами классов B-Ia, B-I6 и В-IIа при условии, что эти зоны занимают не менее 30 % всего здания (если оно одноэтажное) или объема верхнего этажа, а также для открытых электроустановок с зонами класса В-1г. Молниезащита данной категории этих открытых установок обязательна на всей территории РФ, тогда как для зданий требуется только в районах с грозовой деятельностью не менее 10 ч в год. К объектам, защищаемым от молний по категории II, относятся мукомольные и комбикормовые заводы (цехи), аммиачные холодильники, склады жидкого топлива и смазочных материалов, отдельно стоящие помещения по заряду и ремонту аккумуляторов, склады удобрений и пестицидов и т. д.
Молниезащита II категории обеспечивает защиту от прямого удара молнии, от заноса высоких потенциалов через надземные и подземные коммуникации, а также от электростатической и электромагнитной индукции (наведения потенциалов в незамкнутых металлических контурах при протекании импульсных токов молнии, создающих опасность возникновения искр в местах сближения этих контуров). Для защиты от электростатической индукции металлические корпуса и конструкции заземляют (зануляют), а от электромагнитной индукции применяют металлические перемычки между трубопроводами и аналогичными протяженными предметами (оболочками кабелей и др.) в местах их взаимного сближения на расстояние 10 см и менее не реже чем через каждые 25...30м. При устройстве молниезащиты II категории воздушные вводы электрических линий, в том числе телефона и радио, заменяют кабельной вставкой длиной не менее 50 м. Металлическую оболочку кабелей на вводе в здание и на последней опоре соединяют с отдельными заземляющими устройствами, имеющими сопротивления растеканию импульсного тока молнии Rи≤10Ом. Эстакадные трубопроводы заземляют аналогичным образом.
Молниезащиту III категорииприменяют при грозовой продолжительности 20 ч и более в год для наружных установок класса П-III, зданий III, IV степеней огнестойкости (детских садов, яслей, школ и т. д.); больниц, клубов и кинотеатров; вертикальных вытяжных труб котельных или промышленных предприятий, водонапорных и силосных башен при высоте более 15 м от земли. Если продолжительность гроз составляет 40 ч в год и более, то молниезащита данной категории требуется для животноводческих и птицеводческих зданий III...V степеней огнестойкости, а также для жилых домов при их высоте более 30 м в случае, если они расположены далее 400 м от общего массива.
Молниезащита III категории устраняет опасные и вредные факторы, которые могут возникнуть при прямом ударе молнии, а также предохраняет от заноса высоких потенциалов в здание через воздушные электрические линии и другие надземные металлические коммуникации, например трубопроводы. С этой целью
коммуникации на вводе в здание и на ближайшей опоре присоединяют к заземлителям с сопротивлением растеканию импульсного тока молнии Rи ≤ 20 Ом. Емкости с топливными и смазочными материалами (кроме бензина), дымовые трубы и башни высотой более 15м защищают по категории III при допустимой величине Rи ≤ 50Ом.
Для зданий и сооружений, совмещающих в себе помещения, требующие устройства молниезащиты I и II или I и III категорий, рекомендуется молниезащиту объекта в целом выполнять в соответствии с требованиями для I категории.
Невзрывоопасные помещения, выполненные из несгораемых материалов (в том числе перегородки, перекрытия, крыши), устройствами молниезащиты не оборудуют. Необходимость молниезащиты зернохранилищ, мастерских, гаражей, зерноочистительных агрегатов обосновывают с учетом ожидаемого числа ударов молнии в здание. Как правило, сооружение молниезащиты на этих объектах не требуется.