Молниезащита зданий и сооружений
1. Молниезащита зданий и сооружений
Воздействия молнии принято подразделять на две основные группы: первичные, вызванные прямым ударом молнии, и вторичные, индуцированные близкими ее разрядами или занесенные в объект протяженными металлическими коммуникациями.
Опасность прямого удара и вторичных воздействий молнии для зданий и сооружений и находящихся в них людей или животных определяется, с одной стороны, параметрами разряда молнии, а с другой — технологическими и конструктивными характеристиками объекта (наличием взрывоили пожароопасных зон, огнестойкостью строительных конструкций, типом вводимых коммуникаций, их расположением внутри объекта и т. д.).
Прямой удар молнии означает следующие воздействия на объект. Во-первых, электрическое, связанное с поражением людей или животных электрическим током и появлением перенапряжения на пораженных элементах. Перенапряжение пропорционально амплитуде и крутизне тока молнии, индуктивности конструкций и сопротивлению заземлителей, по которым ток молнии отводится в землю. Даже при наличии молниезащиты прямые удары молнии
с большими токами и крутизной могут привести к перенапряжениям в несколько мегавольт. При отсутствии молниезащиты пути растекания тока молнии неконтролируемы и ее удар может создать опасность поражения током, опасные напряжения шага и прикосновения, перекрытия на другие объекты. Во-вторых, термическое воздействие, связанное с резким выделением теплоты при прямом контакте канала молнии с содержимым объекта и при протекании через объект тока молнии. При протекании тока молнии по тонким проводникам создается опасность их расплавления и разрыва. В-третьих, механическое воздействие, обусловленное ударной волной, распространяющейся от канала молнии, и электродинамическими силами, действующими на проводники с токами молнии. Это воздействие может быть причиной, например, сплющивания тонких металлических трубок. Контакт с каналом молнии может вызвать резкое пароили газообразование в некоторых материалах с последующим механическим разрушением, например расщеплением древесины или образованием трещин в бетоне.
Вторичные проявления молнии связаны с действием на объект электромагнитного поля близких разрядов. Обычно это поле рассматривают в виде двух составляющих: первая обусловлена перемещением зарядов в лидере и канале молнии, вторая — изменением тока молнии во времени. Эти составляющие иногда называют электростатической и электромагнитной индукцией.
Еще один вид опасного воздействия молнии — занос высокого потенциала по вводимым в объект коммуникациям (проводам воздушных линий электропередачи, кабелям, трубопроводам). Он представляет собой перенапряжение, возникающее на коммуникации при прямых и близких ударах молнии и распространяющееся в виде набегающей на объект волны. Опасность создается за счет возможных перекрытий с коммуникации на заземленные части объекта. Подземные коммуникации также представляют угрозу, так как могут принять на себя часть растекающихся в земле токов молнии и занести их в объект.
2. Виды защищаемых объектов
Тяжесть последствий удара молнии зависит прежде всего от взрывоили пожароопасности здания или сооружения при термических воздействиях молнии, а также искрениях и перекрытиях, вызванных другими видами воздействий. Например, в производствах, постоянно связанных с открытым огнем, процессами горения, применением несгораемых материалов и конструкций, протекание тока молнии не представляет большой опасности. Напротив, наличие внутри объекта взрывоопасной среды создает угрозу разрушений, человеческих жертв и большого материального ущерба. При таком разнообразии технологических
условий неразумно предъявлять одинаковые требования к молниезащите всех объектов, поэтому здания и сооружения разделены на три категории по тяжести возможных последствий поражения молнией.
К I категории относятся производственные помещения, в которых в нормальных технологических режимах могут находиться и образовываться взрывоопасные концентрации газов, паров, пыли, волокон. Любое поражение молнией, вызывая взрыв, создает повышенную опасность разрушений и жертв не только для данного объекта, но и для близрасположенных.
Под II категорию подпадают производственные здания и сооружения, в которых взрывоопасная концентрация появляется в результате нарушения нормального технологического режима, а также наружные установки, содержащие взрывоопасные жидкости и газы. Для этих объектов удар молнии создает опасность взрыва только при совпадении с технологической аварией или срабатыванием дыхательных или аварийных клапанов на наружных установках. Благодаря умеренной продолжительности гроз на территории РФ вероятность совпадения этих событий достаточно мала.
К III категории относятся объекты, последствия поражения которых связаны с меньшим материальным ущербом, чем при взрывоопасной среде. Сюда входят здания и сооружения с пожароопасными помещениями или строительными конструкциями низкой огнестойкости, причем для них требования к молниезащите ужесточаются с увеличением вероятности поражения объекта (ожидаемого количества поражений молнией). Кроме того, под III категорию подпадают объекты, поражение которых представляет опасность электрического воздействия на людей и животных: большие общественные здания, животноводческие строения, высокие сооружения типа труб, башен, монументов. Наконец, к III категории относятся мелкие строения в сельской местности, где чаще всего используются сгораемые конструкции. Согласно статистическим данным, на эти объекты приходится значительная доля пожаров, вызванных грозой. Из-за небольшой стоимости таких строений их молниезащита выполняется упрощенными способами, не требующими значительных материальных затрат.
Первичной и простейшей из них является система на основе одностержневого пассивного молниеотвода (рис. 6). Она состоит из одного или нескольких металлических прутов, соединенных кабелями с заземлением, и обеспечивает рассеивание полученного разряда и защиту небольших строений, которая, в свою очередь, подразделяется на традиционную (молниеотвод Франклина) и с ионизатором. Молниеотвод — это устройство из трех основных элементов: молниеприемника, который принимает разряд молнии; токоотвода, который должен направить принятый разряд в землю; заземлителя, который отдает заряд земле. Молниеприемник может иметь вид металлического штыря (стержневой),
натянутого вдоль конька крыши металлического троса или металлической сетки из арматуры с шагом ячеек обычно 6–12 м. Для защиты от прямого удара молнии как можно большей площади следует устанавливать молниеприемник на такую высоту, чтобы в зону защиты (это все, что вмещается в конус, высота которого определяется высотой молниеприемника, а диаметр основания равен тройному значению высоты) попадали выбранные объекты. Для таких молниеотводов используют достаточно высокие, стоящие рядом деревья или сооружают мачты. Однако мачты не всем по карману, да и пейзаж они не облагораживают, поэтому чаще всего используют тросовые и сетчатые молниеприемники, причем для строений с неметаллической кровлей допустима упрощенная схема молниезащиты.
Рис. 6. Одностержневой молниеотвод
Система молниезащиты типа «пространственная клетка» представляет собой проводящую сеть, которую устанавливают на крыше защищаемого строения (рис. 7). В ее конструкции используются материалы, соответствующие стандарту устройства молниезащиты сооружений и коммуникаций СО 153-34.21.122-2003. Эти же параметры распространяются на все молниеотводы.
Традиционная система молниезащиты (без ионизатора) состоит из специального молниеотвода высотой 35 см, выполненного из меди или стали, закрепленного на стержне высотой 2 м, и удлиняющей мачты высотой 2 м.
Рис. 7. Система молниезащиты типа «пространственная клетка»
Комбинация молниеотвода с мачтами:
• позволяет достичь необходимой высоты —2,35, 4,10, 5,85, 7,60 м;
• специального крепежа мачты к стене или треноги;
• специального проводника с набором крепежа к стене дома;
• клеммы заземления;
• земляной розетки.
Радиус защитного действия молниеотвода определяется высотой мачты и для традиционной системы приближенно рассчитывается по следующей формуле:
R = 1,732 × h,
где h — высота от самой высокой точки дома до пика молниеотвода.
Молниеотвод устанавливается на мачте необходимой высоты, затем вся конструкция с помощью спецального кронштейна (к стене) или треноги закрепляется на самой высокой точке дома и специальным проводником соединяется с клеммой заземлителя (земляной розетки). Соединительный проводник должен располагаться не ближе 1 м к канализации, магистрали газа, внешних металлических частей дома и фиксироваться специальным крепежом к стене дома через каждые 30 см с изгибами не менее R = 20 см. Клемма заземлителя устанавливается на высоте не менее 2 м от земли. Эта клемма соединяется с земляной розеткой, которая устанавливается отдельно от существующего заземления дома (рис. 8).
Рис. 8. Наиболее распространенные варианты устройства земляных розеток: а — «птичья лапа»; б — «треугольник»
Принцип работы активной системы молниезащиты с ионизатором заключается в постоянной работе специального устройства — активного молниеприемника, который генерирует электрические импульсы в направлении грозовой тучи и тем самым создает воздушный канал со значительно пониженным сопротивлением (рис. 9). Он включается, когда электромагнитная напряженность между землей и грозовым облаком достигает критической величины, предшествующей
неизбежному разряду. При ее движении к защищаемой территории она будет принята токоприемником, в противном случае токоприемник не окажет на молнию никакого воздействия и она пройдет стороной. Подобная грозозащита широко распространена во многих странах мира.
Рис. 9.Ионизатор Prevectron 2 Millennium
Для металлической кровли идеальным вариантом является описанная выше классическая схема молниезащиты.
Лучше прокладывать токоотвод по стене дома, противоположной входу, и закапывать заземлитель подальше от фундамента и различных садовых построек.
Если крыша сделана из шифера и подобных ему материалов или дерева, вдоль конька кровли по всей длине протягивается металлический трос на двух деревянных подпорках, к нему припаивается токоотвод, спускается вдоль крыши, проходит по стене (можно провод пропустить в водосток) и уходит в землю. Токоотвод припаивается к заземлителю из стального листа. Система должна располагаться на расстоянии 3–5 м от входа.
Для защиты черепичных крыш лучше накинуть на кровлю сетку из стальной проволоки с шагом ячейки не более чем 6 × 6 м, но и не особенно частой. Диаметр проволоки или троса для такой сетки должен быть приблизительно 6 мм. Все стыки проволоки пропаиваются, затем к этой сетке присоединяется токоотвод, который заканчивается закопанной в землю стальной пластиной заземлителя. Внутренняя молниезащита должна уменьшать электромагнитные эффекты воздействия тока молнии на людей, приборы и оборудование, находящееся внутри строительных объектов.
Основные принципы уравнивания потенциалов содержатся в нормах молниезащиты строительных объектов. В соответствии с этими принципами следует уравнивать потенциалы всех проводящих устройств, входящих в объект.
Потенциалы следует уравнивать с помощью соединений с низким импедансом:
• непосредственных — между проводящими приборами и устройствами, на которых не возникает постоянно электрический потенциал;
• ограничивающих — между устройствами, заземленными и изолированными от земли, а также находящимися под напряжением проводами электрических устройств.
Принимая во внимание перечисленные выше требования, рекомендуется, вводя устройства в строительный объект, соединять их с уравнивающей шиной, произвольным элементом молниезащитного устройства или металлическим элементом конструкции объекта в месте, расположенным как можно ближе к месту введения установки. Оптимальным решением является введение всех устройств в одном общем месте. Пример проведения в одном месте электроустановки, сигнальных проводов, а также других проводящих устройств представлен на рис. 10.
К уравнивающей шине следует непосредственно присоединить:
• металлические трубы;
• телекоммуникационные, вспомогательные и измерительные заземляющие электроды;
• экраны или проводящие конструктивные элементы линии передачи сигналов;
• проводники PEN или PE электроэнергетической сети.
Если внешние устройства, линии электропитания, телекоммуникационные и сигнальные линии нельзя ввести в объект в одном и том же месте и требуется использовать несколько уравнивающих шин, то они должны быть соединены как можно более коротким проводником с заземлителем или металлическими элементами железобетонной конструкции объекта.
Проводник, соединяющий уравнивающие шины, следует соединить с проводящими элементами железобетонной конструкции или другими экранирующими элементами.
Уравнивающая шина размещается чаще всего на уровне земли как можно ближе к месту, в которое входят проводящие устройства, и соединена с заземлителем, например фундаментным. К шине следует также присоединить существующие в объекте металлические части лифтовых конструкций, вентиляционные каналы и т. п.
В случае защиты электронных систем, от которых требуется особенная надежность и безотказность функционирования, следует дополнительно принять во внимание затухание электромагнитных импульсов молнии при переходе границ отдельных зон (арматура стен, дополнительные экраны).
Рис. 10. Соединения проводников с шиной уравнивания потенциалов в месте их ввода в объект
Грозозащитные зоны. Ниже представлена их краткая характеристика.
Зона 0A: устройства, а также электрические и электронные системы, работающие в этой зоне, подвергаются риску непосредственного воздействия тока молнии с неограниченным значением пиковой величины, а также импульсного электромагнитного поля. Подвергаются риску устройства или системы, работающие на открытом воздухе, не экранированные от электромагнитного поля и не защищенные от напряжений и токов молнии. В зоне 0A пиковые значения величин возникающих перенапряжений вытекают из импульсной устойчивости изоляторов, изоляции кабелей или устройств внутри строительных объектов.
Зона 0B: устройства, работающие в этой зоне, подвергаются опасности:
• непосредственного воздействия импульсного электромагнитного поля, вызванного током молнии с пиковыми значениями, такими как в случае зoны 0A;
• напряжений и импульсных токов, индуцированных током молнии в проводящих устройствах.
Эти устройства устанавливаются в неэкранированных объектах, лишенных собственных электромагнитных экранов (кожухов и корпусов), а также не имеющих приспособлений, ограничивающих перенапряжения в электроустановке и линиях передачи сигналов. Предлагаемые пиковые величины импульсных напряжений в этой зоне составляют: в электроэнергетической сети низкого напряжения — 10 кВ, в линиях передачи сигналов — 6 кВ. Импульсные токи, возникающие в зоне 0B, характеризуются временем нарастания (фронтом) 8 Мкс и длительностью на уровне половины максимального значения 20 Мкс.
Зона 1: электронные устройства, работающие в данной зоне, защищаются:
• от непосредственного воздействия импульсного электромагнитного поля — используется отдельный экран, который чаще всего создают соединенные между собой проводящие элементы конструкции зданий;
• напряжений и токов молнии — элементы и схемы, ограничивающие перенапряжения, создающие так называемую основную защиту, — одноступенчатая схема ограничителей перенапряжений.
Пиковые значения импульсных напряжений, возникающих в этой зоне, составляют: в электроустановке — менее 10 кВ, в линиях передачи сигналов — менее 6 кВ. Формы импульсных токов, используемых для испытаний ограничителей перенапряжений, здесь такие же, как в зоне 0B.
Последующие зоны: их создание требует введения дополнительных экранов, а также очередных ступеней ограничения напряжений и ударных токов. Используются экранирующие свойства железобетонных стен помещений внутри объекта, монолитных экранов помещений, стальных обшивок и корпусов самих устройств.
В случае существующих и строящихся объектов, а также объектов с чувствительными электронными системами чаще всего применяются двухили трехступенчатые системы защиты от перенапряжений (рис. 11).
Рис. 11. Пример трехступенчатой системы ограничения перенапряжений
Типы зон и категории защиты в соответствии с ПУЭ приведены в табл. 7.
Таблица 7. Тип зоны защиты и категории молниезащиты в соответствии с ПУЭ
| Здания и сооружения | Местоположение | Тип зоны защиты при использовании стержневых и тросовых молниеотводов | Категория молниезащиты |
| Здания и сооружения или их части, помещения которых согласно ПУЭ относятся к зонам классов В-I и В-II | На всей территории РФ | А | I |
| То же классов В-Iа, В-Iб, В-IIа | В местностях со средней продолжительностью гроз 10 ч в год и более | При ожидаемом количестве поражений молнией в год здания или сооружения N < 1–А; N ≤ 1–Б | II |
| Наружные установки, создающие согласно ПУЭ зону класса В-Iг | На всей территории РФ | Б | II |
| Здания и сооружения или их части, помещения которых | В местностях со средней | Для зданий и сооружений | III |
| согласно ПУЭ относятся к зонам классов П-I, П-II, П-IIа | продолжительностью гроз 20 ч в год и более | I и II степеней огнестойкости при 0,1 < N ≤ 2 и для III–V степеней огнестойкости при 0,02 < N ≤ 2–Б, при N > 2–А | |
| Расположенные в сельской местности небольшие строения III–V степеней огнестойкости, помещения которых согласно ПУЭ относятся к зонам классов П-I, П-II, П-IIа | В местностях со средней продолжительностью гроз 20 ч в год и более | При N < 02 | III |
| Наружные установки и открытые склады, создающие согласно ПУЭ зону классов П-III | В местностях со средней продолжительностью гроз 20 ч в год и более | При 0,1 < N ≤ 2–Б, при N > 2–А | III |
| Здания и сооружения III, IIIa, IIIб, IV, V степеней огнестойкости, в которых отсутствуют помещения, относимые по ПУЭ к зонам взрывои пожароопасных классов | То же | При 0,1 < N ≤ 2–Б, при N > 2–А | |
| Здания и сооружения из легких металлических конструкций со сгораемым утеплителем (IVa степени огнестойкости), в которых отсутствуют помещения, относимые по ПУЭ к зонам взрывои пожароопасных классов | В местностях со средней продолжительностью гроз 10 ч в год и более | При 0,02 < N ≤ 2–Б, при N > 2–А | III |
| Небольшие строения III–V степеней огнестойкости, расположенные в сельской | В местностях со средней продолжительностью | Для III, IIIa, IIIб, IV, V степеней огнестойкости | III |
| местности, в которых отсутствуют помещения, относимые по ПУЭ к зонам взрывои пожароопасных классов | гроз 20 ч в год и более | при N < 0,1, для IVa степени огнестойкости при N < 0,02 | |
| Здания вычислительных центров, в том числе расположенные в городской застройке | В местностях со средней продолжительностью гроз 20 ч в год и более | Б | II |
| Животноводческие и птицеводческие здания и сооружения III–V степеней огнестойкости: для крупного рогатого скота и свиней на 100 голов и более, для овец на 500 голов и более, для птицы на 1000 голов и более, для лошадей на 40 голов и более | В местностях со средней продолжительностью гроз 40 ч в год и более | Б | III |
| Дымовые и прочие трубы предприятий и котельных, башни и вышки всех назначений высотой 15 м и более | В местностях со средней продолжительностью гроз 10 ч в год и более | Б | III |
| Жилые и общественные здания, высота которых более чем на 25 м больше средней высоты окружающих зданий в радиусе 400 м, а также отдельно стоящие здания высотой более 30 м, удаленные от других зданий более чем на 400 м | В местностях со средней продолжительностью гроз 20 ч в год и более | Б | III |
| Отдельно стоящие жилые и общественные здания в сельской местности высотой более 30 м | То же | Б | III |
| Общественные здания III–V степеней огнестойкости следующего назначения: детские дошкольные учреждения, школы и школы-интернаты, стационары лечебных учреждений, спальные корпуса и столовые учреждений здравоохранения и отдыха, культурно-просветительные и зрелищные учреждения, административные здания, вокзалы, гостиницы, мотели и кемпинги | То же | Б | III |
| Открытые зрелищные учреждения (зрительные залы открытых кинотеатров, трибуны открытых стадионов и т. п.) | То же | Б | III |
| Здания и сооружения, являющиеся памятниками истории, архитектуры и культуры (скульптуры, обелиски и т. п.) | То же | Б | III |
На рис. 12 приведена карта средней длительности гроз для России.