Молниезащита зданий и сооружений

Молниезащита - это комплекс защитных мер от зарядов атмосферного статического электричества, обеспечивающих безопасность людей, сохранность зданий и сооружений, оборудования и материалов от загорания, взрывов и разрушений.
Молния опасна тем, что удар её в незащищённое или неправильно защищённое здание представляет собой серьёзную опасность не только для оборудования, но и для людей. Длина канала молнии обычно достигает нескольких километров (в среднем 5 км). Значительная её часть находится в грозовом облаке. Разряду предшествует процесс разделения и накопления электрических зарядов.
При движении заряженного облака вследствие электростатической индукции на поверхности земли появляются заряды противоположного знака. Образуется своеобразный гигантский конденсатор с воздушным промежутком, пластинами которого являются облака и земля. По мере конденсации зарядов увеличивается напряжённость электрического поля вблизи облака или у земли.
Выступающие над поверхностью земли здания, трубы, вышки, мачты ионизируют воздух и тем самым уменьшают его удельное сопротивление прохождению тока, т.е. подготавливается коридор для прохода искрового разряда.
Наиболее опасен прямой удар молнии. Прямой удар молнии может явиться причиной пожаров и взрывов. Канал молнии имеет температуру 20 000° и выше. Сила тока в канале достигает 200 000А, напряжение 150 000 000В. Молния может проплавлять металлические поверхности взрывоопасных установок, нагревать взрывоопасные жидкости до критических температур.
Доказано, что проплавление листового металла током молнии возможно лишь при толщине листа менее 4мм. Поэтому с учётом коррозии минимальная толщина металла установки, способная сохранить герметичность, принимается 5мм. В установках, содержащих газ или жидкость под давлением, толщина стенок должна быть не менее 5,5…6 мм.
Механическое воздействие прямого удара молнии вызывает местные разрушения у сооружений из камня, бетона, кирпича. Известны случаи частичного или полного разрушения бетонных и железобетонных сооружений.
Предварительно напряжённую арматуру железобетонных конструкций использовать в качестве токоотвода нельзя. Опыты показывают, что при протекании импульсных токов порядка 5000 – 2000 А образцы полностью разрушаются. Поэтому армированные конструкции требуют защиты от прямых ударов молнии.
Прямой удар считается первичным проявлением молнии.
Вторичное проявление молнии сопровождает первичное и выражается в электростатической и электромагнитной индукции.
Электростатическая индукция вызывается действием заряженных облаков на наземные объекты и сопровождается искрениями между металлическими элементами конструкций и оборудования.
Электромагнитная индукция появляется при разряде молнии, который сопровождается возникновением в пространстве изменяющегося во времени магнитного поля.
Магнитное поле индуктирует в контурах, образованных из различных протяженных металлических предметов (трубопроводов, электропроводок и др.), электрические токи, вызывающие нагревание замкнутых контуров. Однако в силу малой величины индуктированных токов нагрев опасен.
В незамкнутых контурах возникающая э.д.с. может вызвать искрение или сильное нагревание в местах с недостаточно плотными контактами.
Такое искрение совершенно недопустимо для взрывоопасных зданий и сооружений, так как в них даже слабая по мощности и малая по продолжительности электрическая искра может привести к взрыву.
Одной из главных и решающих мер защиты от первичного и вторичного проявления молнии является устройство молниеотводов.
Молниеотводы, с одной стороны, приближают разряд прямого удара молнии к защищаемому объекту, вследствие чего индуцированные напряжения возрастают, с другой стороны, - образуя, встречный лидер, удаляют от объекта зону, в которой происходит формирование главного разряда, уменьшая тем самым величину индуцированных напряжений.
Это объясняется тем, что под грозовым облаком на поверхности земли и на всех наземных объектах скапливаются электрические заряды, равные по величине и противоположные по знаку заряду облака.
Удар молнии начинается после того, как напряженность электрического поля в какой – либо части облака (тучи) достигнет критического значения, при котором возможно начало ударной ионизации молекул воздуха, и по направлению к земле начинает «прорастать» канал-лидер со скоростью порядка 10⁷ м/сек, представляющий собой зону высокой проводимости.
Со стороны земли также образуется встречный лидер или несколько лидеров. В последнем случае каналы молнии разветвляются.
В подавляющем большинстве случаев после первого разряда следует еще один или несколько.
Наибольшее значение имеет ток первого разряда. Токи последующих разрядов существенно меньше.
В соответствии с временными указаниями по проектированию и устройству молниезащиты зданий и сооружений СН 305 – 65 все здания разделяются на три категории в зависимости от значимости и технологический особенностей объекта и степени взрыво- и пожароопасности.
Первая категория. К данной категории относятся здания и сооружения, отнесенные в ПУЭ к классам В-I и В-II. К этой категории относятся помещения, в которых горючие газы или пары, а также переходящие во взвешенное состояние горючие пыли и волокна, способны к образованию взрывоопасных смесей с воздухом или другими окислителями при нормальных режимах работы.
Взрыв в таких помещениях сопровождается, как правило, значительными разрушениями и человеческими жертвами.
Молниезащита таких объектов выполняется независимо от средней грозовой деятельности или от места расположения на территории Украины.
Вторая категория.К этой категории относятся здания и сооружения, отнесенные ПУЭ к классам В-Iа, В-Iб и В-IIа, в которых при нормальной эксплуатации образование свойственных для первой категории взрывоопасных смесей не имеет места, а возможно только в результате аварии и неисправностей.
К этой категории относятся также здания, в которых хранятся в металлической упаковке взрывчатые и легковоспламеняющиеся вещества.
Взрыв в таких помещениях сопровождается незначительными разрушениями без человеческих жертв. Молниезащита таких объектов выполняется в местностях со средней грозовой деятельностью 10 и более грозовых часов в год.
Третья категория. Сюда относят здания и сооружения (с пожароопасными зонами П-I; П-II; П-IIа), для которых прямой удар представляет опасность в отношении пожара, механических разрушений, поражения людей, а также животных.
Молниезащита их выполняется в местностях, расположенных южнее 65-й параллели со средней грозовой деятельностью 20 и более грозовых часов в год и при ожидаемом количестве поражений молнией не менее 0,05, в том числе отдельно стоящих объектов высотой 15 м и более.
Средняя грозовая деятельность за один год определяется по «Карте среднегодовой продолжительности гроз в часах» (СН-305 – 65) либо на основании официальных данных местной метеостанции.
Все здания и сооружения первой и второй категории защищаются как от прямых ударов молнии, так и от ее вторичных воздействий и заноса высоких потенциалов через наземные и подземные металлические конструкции и коммуникации.
Здания и сооружения третьей категории защищаются от прямых уларов молнии и заноса высоких потенциалов.
Выбор способов молниезащиты определяется во взаимосвязи с конструктивными и технологическими особенностями объекта и его назначением.
Молния обладает свойством поражать, в первую очередь, заземленные (их электропроводность стремится к бесконечности) объекты и возвышающиеся над землей металлические предметы и сооружения (трубы, мачты, вышки и т.п.).
Именно на этой особенности грозового разряда основано защитное действие каждого молниеотвода.
Молниеотвод состоит: из молниеприемника, токоотвода, обеспечивающего прохождение по нему разрядного тока к заземляющему устройству, и самого заземляющего устройства, обеспечивающего непосредственный распределенный на большой площади контакт с землей.
Молниеотводы разделяются на три основных типа: а) стержневые; б) тросовые или антенные; в) сетчатые. В отдельных случаях могут быть комбинированные молниеотводы.
Молниезащита объекта в зависимости от его размеров может осуществляться одним или несколькими стержневыми молниеотводами, создающими зону защиты, охватывающую весь объект. При протяженных объектах защита выполняется с помощью одного или нескольких тросовых молниеотводов, создающих требуемую зону защиты.
Стержневые и тросовые молниеотводы устанавливаются либо на отдельно стоящих опорах, либо на опорах, связанных с конструкцией объекта.
Сетчатые молниеотводы укладывают (или подвешивают) на крышу защищаемого объекта и не менее чем в двух местах соединяют токоотводами с отдельными очагами заземления.
В практике чаще используют стержневые молниеотводы.
Молниеприемники стержневых молниеотводов изготавливаются из стали различного профиля с антикоррозийной защитой, чаще из круглой стали и реже из водопроводных труб. Свободный конец трубы необходимо сплющить или плотно закрыть металлической пробкой.
В качестве молниеприемника может быть использована также специальная сетка из круглой или плоской стали диаметром 6—8 мм. Тросовый молниеотвод следует выполнять из стального многопроволочного оцинкованного троса сечением не менее 35 мм².
Для устройства токоотводов можно использовать сталь любого профиля.. Минимальное сечение — 48 мм², а диаметр круглой стали или троса — не менее 6 мм. Токоотводы следует прокладывать снаружи зданий от молниеприемника по кратчайшему пути к заземлителю.
Токоотводы между собой с молниеприемником и заземлителем соединяются сваркой. Длина сварочного шва должна быть не менее двойной ширины прямоугольного проводника и не менее шести диаметров свариваемых круглых проводников.
В местах соединения токоотводов с заземлителем для периодического контроля сопротивления заземления на 1—1,5 м от земли устраивают специальные болтовые разъемы.
Заземляющие устройства могут быть различных видов. Вертикальные заземлители из угловой (40x40x4 мм), круглой (диаметром 10—20 мм) стали, а также трубы с наружным диаметром 30—60 мм и толщиной стенок 4 мм забивают на глубину 2—3 м.
При высокой проводимости нижних слоев грунта глубина заземлителей может достигать 4—6 м. Трубы забивают в грунт на глубину 0,5—0,8 м от поверхности. Горизонтальные заземлители применяют в местах с постоянно влажными верхними слоями грунта.
Опоры для молниеотводов выполняются в виде свободно стоящих конструкций без растяжек. Металлические опоры необходимо предохранять от коррозии покраской, а деревянные опоры пропитывать антисептиками и антипиренами.
Зона защиты молниеотводов - это часть пространства, внутри которого здание или сооружение защищено от прямых ударов молнии с определенной степенью надежности.
Согласно СН 305—77 выделено две зоны защиты. В зоне А обеспечивается степень надежности 99,5% и выше, в зоне Б — 95% и выше.
Для расчета типа и зоны защиты (рис. 4.4.2.) необходимо знать количество поражений молниями в год зданий и сооружений, не оборудованных молниезащитой. Величина Nрассчитывается по следующей формуле:

(4.4.6)
где L, S, h_x — соответственно длина, ширина и наибольшая высота здания, м; n— среднегодовое число ударов молнии на 1 км² земной поверхности, где расположено здание.

Если здание сложной конфигурации, то в качестве величин L и S принимаются длина и ширина наименьшего прямоугольника, который может быть вписан в план здания.
Среднегодовое число ударов молний nопределяется по табл. 4.4.8.

Таблица.4.4.8.

Интенсивность грозовой деятельности в год	Среднегодовое число ударов молнии на 1 км2земной поверхности
10-20
20-40
40-60
60-80
80 и более

Для определения nнеобходимо знать интенсивность грозовой деятельности в часах (СН 305-77).
Тип зоны защиты и категория деятельности устройства молниезащиты зависят от количества поражений молнией в год, от категории производства и степени огнестойкости зданий и сооружений, а также от класса по Правилам устройства электроустановок (ПУЭ).
Молниезащита I категории осуществляется отдельно стоящими или изолированными от здания стержневыми и тросовыми молниеотводами и обязана обеспечить зону защиты типа А.
Значение импульсного сопротивления заземлителя для каждого отдельно стоящего стержневого, тросового или изолированного от сооружения молниеотвода должно быть не более 10 Ом, а при удельном сопротивлении грунта 500 Ом∙м более импульсное сопротивление должно быть не более 40 Ом.
Для исключения заноса высоких потенциалов в защищаемое здание (сооружение) по подземным металлическим коммуникациям необходимо заземлители защиты от прямых ударов располагать на расстоянии не менее 3 м.

Рис. 4.4.13. Схема расчета зоны молниезащиты

Наименьшее расстояние от тоководов отдельно стоящего стержневого молниеотвода или изолированного от сооружения молниеотвода до здания зависит от сопротивления заземления и может быть принято 5 м.
В зданиях, относимых по молниезащите к I категории, принимаются меры защиты от электростатической индукции присоединением металлических корпусов всего оборудования, аппаратов, металлических конструкции к специальному заземлителю сопротивлением не более 10 Ом.
Для защиты от электромагнитной индукции между трубопроводами и другими протяженными металлическими предметами (каркас сооружения, оболочка кабеля) в местах их взаимного сближения на расстояние 10 см и не менее чем через каждые 20 м приваривают металлические перемычки для образования замкнутых контуров.
В местах соединения между собой элементов трубопроводов и других металлических предметов необходимо обеспечить контакт с переходным электрическим сопротивлением не более 0,03 Ом на один контакт.
При фланцевых соединениях труб такое значение достигается нормальной затяжкой болтов при их количестве не менее 6 на один фланец. Где такой контакт обеспечить невозможно, приваривается перемычка из стальной проволоки диаметром 5 мм и более или стальная лента сечением не менее 24мм.
Ввод в здание электрических сетей напряжением до 1000 В, сетей телефона, радио, сигнализации производится только кабелем.
Для защиты от заноса высоких потенциалов все внешние наземные металлические конструкции и коммуникации на - ближайших к зданию двух опорах (крючья, штыри), а также металлическая броня и оболочки кабелей у ввода в здание и в места перехода воздушной линии в кабель должны быть присоединены к заземлителю с импульсным сопротивлением не более 10 Ом.
Если на зданиях имеются прямые трубы для свободного отвода в атмосферу взрывоопасных газов, то в зону защиты молниеотводов входит пространство над обрезом труб, ограниченное полусферой с радиусом 5 м.
Молниезащита II категории осуществляется отдельно стоящими или установленными на зданиях неизолированными стержневыми и тросовыми молниеотводами; наложением молниеприемной сетки на плоскую неметаллическую кровлю или использованием в качестве молниеприемника металлической кровли здания.
От каждого стержневого или тросового молниеотвода должно быть проложено не менее двух тоководов. При сосредоточенных заземлителях тоководы прокладываются по противоположным стенам здания, а при протяженных заземлителях тоководы устраиваются через каждые 25 м периметра здания.
Требования по величине импульсного сопротивления каждого заземлителя такие же, как и для молниезащиты I категории.
Если роль молниеприемника выполняет сетка, то последняя должна быть выполнена сваркой стальной проволоки диаметром 6 — 8 мм с ячейкой 36 м² (6 х 6 м). Выступающие металлические элементы (трубы, вентиляционные устройства) здания должны быть соединены со стальной кровлей или молниеприемной сеткой, а неметаллические элементы оборудованы молниеприемниками.
Тоководы, соединяющие металлическую кровлю или молниеприемную сетку, прокладываются через 25 м периметра. В качестве тоководов можно использовать металлические конструкции (колонны, фермы, рамы, пожарные лестницы, металлические направляющие лифтов). При этом необходимо обеспечить непрерывную электрическую связь в соединяемых элементах.
На зданиях, где верхние плиты перекрытий укладываются на металлические фермы и применяются негорючие утеплители и гидроизоляция, установка молниеприемника (сетки) не рекомендуется, но должна быть обеспечена электрическая связь металлических форм с заземлителями. Защита от электростатической индукции, от заноса высоких потенциалов по коммуникациям осуществляется устройством заземления.
Для зданий шириной 100 м и более с целью выравнивания потенциалов устраивается на глубине 0,5 м и более заземлитель в виде протяженных горизонтальных металлических электродов сечением не менее 100 мм . Эти электроды располагаются не реже чем через 60 м по ширине здания. По торцам здания заземляющие электроды соединяются с металлическими фермами или с наружным контуром заземления или с арматурой железобетонных фундаментов здания.
Вводы в здания различных коммуникаций и защита этих коммуникаций и мест перехода осуществляются как у зданий и сооружений, относящихся к I категории по молниезащите.
Молниезащита III категории осуществляется теми же способами, что и для зданий и сооружений II категории, только молниеприемная сетка имеет ячейки 12 x 12 м (не более 150 м²), значение импульсного сопротивления каждого заземлителя от прямых ударов молнии должно быть не более 20 Ом. Металлические скульптуры и обелиски, подлежащие молниезащите, достаточно присоединить к заземлителю.
Неметаллические вертикальные трубы высотой более 150 м оборудуются молниеприемником в виде стального кольца сечением 100 мм², уложенного по верхнему торцу трубы; трубы высотой 50 — 150 м оборудуются двумя молниеприемниками высотой не менее 1 м, объединенными на верхнем торце трубы; трубы высотой до 50 м оборудуются одним молниеприемником высотой не менее 1 м.
Трубы высотой более 50 м снабжаются двумя тоководами, одним из которых может быть ходовая лестница.
Расчет зоны защиты начинается с определения назначения зданий и сооружений по ПУЭ, расчета количества N поражений молнией в год и определения на основе этих показателей зоны защиты молниеотводов.
Для расчета зоны защиты одиночного, двойного, многократного стержневого и одиночного и двойного тросовогo молниеотводов высотой h ≤150 необходимо знать высоту здания h_x, и вычислить высоту вершины конуса защиты h₀, а также радиусы защиты на уровне земли г₀, на уровне высоты здания (сооружения) r_x (рис. 4.4.14, 4.4.15).
При этом следует помнить, что зона совместной защиты двойного и многократного стержневых молниеотводов может существовать, если расстояние между молниеотводами L₁ < 3h для зоны А и L₂ < 5h для зоны Б. Причем очень важно правильноустановить на стыке границ защиты двойных и многократных молниеотводов радиусы защиты на уровне земли и на уровне здания г_сх.

Рис. 4.4.14. Зона защиты двух стержневых молниеотводов разной высоты до 150м :
1- на уровне земли; 2- на уровне h.

Зона защиты тросовых молниеотводов h должна определяться с учетом стрелы провеса.
Для стального троса сечением 35...50 мм² при расстоянии между опорами L₁ < 120м h = h_on- 3, при L₂ = 120...150 м h = h_on - 3 м, где h_on — высота опоры тросового молниеотвода.

Рис. 4.4.15. Зона защиты двойного стержневого молниеотвода высотой до 150м :
1- на уровне земли; 2- на уровне h_x1; 3 – на уровне h_x2

Зона защиты двойных тросовых молниеотводов может существовать, если расстояние между ними меньше 3h для зоны А и L₁ < 5h для зоны Б (рис.4.4.16.). На стыке границ защиты двойных тросовых молниеотводом необходимо определить высоту защиты h_с и радиус защиты на высоте здания г_х. Выполнение работ по молниезащите в такой последовательности повысит качество ППР и обеспечит защиту зданий (сооружений) от поражения молниями.

Рис. 4.4.16. Зона защиты одиночного тросового молниеотвода высотой до 150м : 1- на уровне земли; 2 – на уровне h.