Средства и способы молниезащиты

Средством защиты от прямых ударов молнии служит молниеотвод – устройство, рассчитанное на непосредственный контакт с каналом молнии и отводящее ее ток в землю. Молниеотвод был изобретен в середине XVIII века американским ученым и политиком Бенджамином Франклином.

Молниеотводы разделяются на отдельно стоящие и установленные на самом объекте. Установка отдельно стоящих молниеотводов исключает возможность термического воздействия на объект при поражении молниеотвода. Для объектов с постоянной взрывоопасностью, отнесенных к I категории, принят этот способ защиты, обеспечивающий минимальное количество опасных воздействий при грозе. Для объектов II и III категорий в равной мере допустимо использование как отдельно стоящих молниеотводов, так и установленных на защищаемом объекте.

Молниеотвод состоит из следующих элементов: молниеприемника, опоры, токоотвода и заземлителя. На практике они могут образовывать единую конструкцию, например, металлическая мачта или ферма здания представляет собой молниеприемник, опору и токоотвод одновременно.

По типу молниеприемника молниеотводы разделяются на стержневые (вертикальные), тросовые (горизонтальные протяженные) и сетки, состоящие из продольных и поперечных горизонтальных электродов, соединенных в местах пересечений. Молниеприемные сетки укладываются на неметаллическую кровлю защищаемых зданий и сооружений.

Во всех возможных случаях близкорасположенные высокие сооружения необходимо использовать в качестве отдельно стоящих молниеотводов, а конструктивные элементы зданий и сооружений, например, металлическую кровлю, фермы, металлические и железобетонные колонны и фундаменты, – в качестве, соответственно, молниеприемников, токоотводов и заземлителей. Защита от термических воздействий прямого удара молнии осуществляется путем надлежащего выбора сечений молниеприемников и токоотводов (таблица 5.16) и толщины корпусов наружных установок.

Таблица 5.16 – Минимально-допустимые диаметры токоотводов и заземлителей

Форма токоотвода и заземлителя	Сечение (диаметр) токоотвода и заземлителя, проложенных
снаружи здания на воздухе	в земле
Круглые токоотводы и перемычки диаметром, мм		–
Круглые вертикальные электроды диаметром, мм	–
Круглые горизонтальные электроды диаметром, мм	–
Прямоугольные электроды: – сечением, мм2 – толщиной, мм

Опоры отдельно стоящих молниеотводов могут выполняться из стали любой марки, железобетона или дерева.

Стержневые молниеприемники должны быть изготовлены из стали любой марки сечением не менее 100 мм² и длиной не менее 200 мм, и защищены от коррозии оцинкованием или окраской. Тросовые молниеприемники должны быть выполнены из стальных многопроволочных канатов сечением не менее 35 мм².

Соединения молниеприемников с токоотводами и токоотводов с заземлителями следует выполнять сваркой. Разрешается выполнение болтовых соединений с переходным сопротивлением не более 0,05 Ом.

Защита от напряжений прикосновения и шага обеспечивается путем прокладки токоотводов в малодоступных для людей местах и равномерного размещения заземлителей по территории объекта.

Защита от вторичных воздействий молнии обеспечивается присоединением металлических объектов и вводимых коммуникаций к заземлителям определенных конструкций, а также ограничением площади незамкнутых контуров внутри зданий путем наложения перемычек в местах сближения металлических коммуникаций.

Для исключения искрения в местах соединений протяженных металлических коммуникаций обеспечиваются низкие переходные сопротивления – не более 0,03 Ом, например, во фланцевых соединениях трубопроводов этому требованию соответствует затяжка шести болтов на каждый фланец.

Зоны защиты молниеотводов

Защитное действие молниеотвода основано на свойстве молнии с большей вероятностью поражать более высокие и хорошо заземленные предметы по сравнению с расположенными рядом объектами меньшей высоты. Количественно защитное действие молниеотвода определяется через вероятность прорыва – отношение числа ударов молнии в защищенный объект (числа прорывов) к общему числу ударов в молниеотвод и объект.

Выполняя серию расчетов вероятности прорыва в окрестности молниеотвода, можно построить поверхность, для которой вероятность прорыва является постоянным значением. Эта поверхность является внешней границей пространства, называемого зоной защиты молниеотвода:

- для одиночного стержневого молниеотвода эта граница – боковая поверхность кругового конуса (рисунок 5.49);

- для одиночного троса – двускатная плоская поверхность.

Рисунок 5.49 – Зона защиты одиночного молниеотвода (α – угол наклона боковой поверхности кругового конуса зоны защиты по отношению к молниеотводу)

Расчетный метод позволяет построить для стержневых и тросовых молниеотводов зону защиты с произвольным значением вероятности прорыва, т.е. для любого молниеотвода (одиночного или двойного) можно построить произвольное количество зон защиты. Однако для большинства зданий достаточный уровень защиты можно обеспечить, пользуясь двумя зонами, с вероятностью прорыва 0,1 и 0,01.

Вероятность прорыва – это параметр, характеризующий отказ молниеотвода как защитного устройства. При таком подходе двум принятым зонам защиты соответствует степень надежности 0,9 и 0,99. Эта оценка надежности справедлива при расположении объекта вблизи границы зоны защиты, например объекта в виде кольца, соосного со стержневым молниеотводом. У реальных же объектов (обычных зданий) на границе зоны защиты, как правило, расположены лишь верхние элементы, а большая часть объекта помещается в глубине зоны. Оценка надежности зоны защиты по ее внешней границе приводит к чрезмерно заниженным значениям. Поэтому, чтобы учесть существующее на практике взаимное расположение молниеотводов и объектов, зонам защиты А и Б приписана в РД 34.21.122-87 ориентировочная степень надежности 0,995 и 0,95, соответственно.

Зона защиты одиночного стержневого молниеотвода высотой h представляет собой круговой конус (рисунок 5.50), вершина которого находится на высоте h₀ < h. На уровне земли зона защиты образует круг радиусом r₀. Горизонтальное сечение зоны защиты на высоте защищаемого сооружения h_x представляет собой круг радиусом r_x.

Рисунок 5.50 – Габаритные размеры зоны защиты одиночного стержневого молниеотвода:
1 – граница зоны защиты на уровне h_x; 2 – границы зоны защиты на уровне земли

При высоте молниеотвода h ≤ 150 м зона защиты имеет следующие габаритные размеры:

зона А: h₀ = 0,85h; r₀ = (1,1 – 0,002h)h; ;

зона Б: h₀ = 0,92h; r₀ = 1,5h; .

Для зоны Б высота одиночного стержневого молниеотвода при известных значениях h_x и r_x может быть определена по формуле:

(5.57)

Зона защиты двойного стержневого молниеотвода высотой h ≤ 150 м представлена на рисунке 5.51. Торцевые области зоны защиты определяются как зоны одиночных стержневых молниеотводов, габаритные размеры которых h₀, r₀, r_x1, r_x2 определяются по вышеприведенным формулам для обоих типов зон защиты (А и Б).

Внутренние области зон защиты двойного стержневого молниеотвода имеют следующие габаритные размеры:

зона А:

- при L ≤ h h_c = h₀; r_cx = r_x; r_c = r₀;

- при h < L ≤ 2h ; r_c = r₀; ;

- при 2h < L ≤ 4h ;

; ;

Рисунок 5.51 – Зона защиты двойного стержневого молниеотвода: 1 – граница зоны защиты на уровне h_x1; 2 – граница зоны защиты на уровне h_x2; 3 – граница зоны защиты на уровне земли

зона Б:

- при L ≤ h h_c = h₀; r_cx = r_x; r_c = r₀;

- при h < L ≤ 6h ; r_c = r₀; .

При расстоянии между стержневыми 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:

(5.58)

Зона защиты одиночного тросового молниеотвода высотой h ≤ 150 м приведена на рисунке 5.52, где h – высота троса в середине пролета. С учетом стрелы провеса троса сечением 35…50 мм² при известной высоте опор h_оп и длине пролета a высота троса (в метрах) определяется следующим образом:

- h = h_оп – 2 при a < 120 м;

- h = h_оп – 3 при 120 м < a < 150 м.

Рисунок 5.52 – Зона защиты одиночного тросового молниеотвода: 1 – граница зоны защиты на уровне h_x; 2 – границы зоны защиты на уровне земли

Зоны защиты одиночного тросового молниеотвода имеют следующие габаритные размеры:

зона А: h₀ = 0,85h; r₀ = (1,35 – 0,0025h)h; ;

зона Б: h₀ = 0,92h; r₀ = 1,7h; .

Для зоны Б высота одиночного тросового молниеотвода при известных значениях h_x и r_x определяется по формуле:

(5.59)

Заземлители молниезащиты

Одним из эффективных способов ограничения грозовых перенапряжений в цепи молниеотвода, а также на металлических конструкциях и оборудовании объекта является обеспечение низких сопротивлений заземлителей.

В настоящее время распространенными и рекомендуемыми РД 34.21.122‑87 естественными заземлителями являются железобетонные фундаменты.

Нормирование параметров заземлителей по их типовым конструкциям (таблица 5.17) соответствует принятой в строительной практике унификации железобетонных фундаментов с учетом их повсеместного использования в качестве естественных заземлителей. Поэтому при выборе молниезащиты не требуется выполнять расчеты сопротивлений заземлителей, что сокращает объем проектных работ.

Таблица 5.17 – Конструкции заземлителей для отдельно стоящих
молниеотводов

Заземлитель	Эскиз	Размеры, м
1. Железобетонный подножник		a ≥ 1,8 b ≥ 0,4 l ≥ 2,2
2. Железобетонная свая		d = 0,25…0,4 l ≥ 5
3. Стальной двухстержневой		t ≥ 0,5 l = 3…5 c = 3…5
4. Стальной трехстержневой		t ≥ 0,5 l = 3…5 c = 5…6

В качестве искусственных заземлителей молниезащиты допускается использовать все рекомендованные ПУЭ заземлители электроустановок, за исключением нулевых проводов (N и PE) воздушных линий электропередачи напряжением до 1 кВ. К примеру, можно токоотводы присоединять к повторным заземлениям нулевого провода на вводе в объект (контурам заземления). Присоединение осуществляется сваркой – места сварки необходимо защитить от коррозии. Повторное заземление нулевого провода запрещено использовать в качестве заземления молниезащиты для объектов I категории. Для них необходимо сооружение отдельного заземляющего устройства.