твн / литература / Лисина,ТВН
.pdf
rx
Граница
защитной
зоны
rx
hх ha h
Рис. 3.1.3 Граница защитной зоны молниеотвода
Исследование молнии указывают на то, что защитное действие молниеотводов начинает ещѐ в стадии лидерного разряда молнии. С некоторого момента канал лидерного разряда молнии начинает ориентироваться на молниеотвод. Это вызвано тем, что к этому моменту напряженность электрического поля сильно возрастает и начинает сказываться взаимодействие зарядов лидера и зарядов, наведѐнных вследствие электростатической индукции на молниеотводе. Расстояние между головкой лидера и уровнем земли, при которой начинает сказываться поле заземлѐнных объектов, принято называть высотой ориентировки; еѐ обозначают через Н, а высоту молниеотвода – через h. Высота ориентировки молнии меняется в широких пределах в зависимости от атмосферных и геологических условий. Для высоких молниеотводов можно считать, что Н приближается высоте грозового облака; с уменьшением высоты молниеотводов снижается и высота Н. Принято для молниеотводов с высоты h 30м брать отношение Н/h постоянным и равным 20 (для стержневых) и 10 (для тросовых) молниеотводов; для стержневых молниеотводов h>30м высоту Н принимают равной 600м. Высота защищаемого объекта обозначается через h Х , а разность h- h Х , т.е. превышение молниеотвода над защищаемым объектом, через h А . Эту разность называют активной высотой молниеотвода.
3.1.2 Общие требования к устройству молниезащиты зданий и сооружений
(Руководящие документы по молниезащите (РД 34.21.122-87, СО 153-34.21.122-2003)
ипо электроснабжению (ПУЭ издание 7)
1.Устройство молниезащиты (молниеотводы) должны включать в себя молниеприемники, непосредственно воспринимающие удар молнии, токоотводы и заземлители.
111
2.Стержневые молниеприемники должны быть изготовлены из стали (круглой, полосовой, угловой, трубной) любой марки сечением не менее 200 мм 2 , длиной не менее 500 мм и укреплены на самом защищаемом здании или сооружении. Тросовые молниеприемники должны быть изготовлены из стальных многопроволочных тросов сечением не менее
50 мм 2
3.Токоотводы, соединяющие молниеприемники всех видов с заземлителями, следует выполнять из стали.
4.Молниеприѐмная сетка должна быть выполнена из оцинкованных стальных проводников диаметром не менее 8 мм, уложена на
неметаллическую кровлю зданий сверху или под несгораемые или трудносгораемые утеплитель или гидроизоляцию. Размер ячеек должен быть не боле 6 6 м. Сетка в узлах должна быть соединена сваркой. В зданиях с покрытием по металлическим фермам или балконам молниеприѐмную сетку на кровле не укладывают. В этом случае несущие конструкции покрытия должны быть связаны токоотводами из стальных стержней марки А1 диаметром 12 мм. Все металлические детали, расположенные на кровле (трубы, вентиляционные устройства, водосточные воронки и т.п.) должны быть соединены с молниеприѐмной сеткой молниеотводами.
5.При прокладке молниеприѐмной сетки и установке молниеотводов следует использовать на защищаемом объекте всюду, где это возможно, в качестве токоотводов металлические конструкции зданий и сооружений (колонны, фермы, рамы, пожарные лестницы и т.п., а также арматуру железобетонных конструкций) при условии непрерывной электрической связи в соединениях конструкций и арматуры с молниеприѐмниками и заземлителями, выполняемых, как правило, сваркой.
Установку молниеприѐмной сетки, отдельно стоящих, |
крышных и |
пристенных молниеотводов, а также углублѐнных заземлителей, выполняют строительные организации.
112
3.1.3 Категории устройства молниезащиты и тип зоны защиты
Здания и сооружения или их части в зависимости от назначения, интенсивности грозовой деятельности в районе местонахождения, ожидаемого количества поражений молний в год следует защищать в соответствии с категориями устройства молниезащиты и типом зоны защиты.
Защитное действие молниеотвода основано на свойстве молнии поражать наиболее высокие и хорошо заземленные металлические сооружения. Благодаря этому защищаемое здание, более низкое по сравнению с молниеотводом по высоте, практически не будет поражаться молнией, если всеми своими частями оно будет входить в зону защиты молниеотвода. Зоной защиты молниеотвода считается часть пространства вокруг молниеотвода, обеспечивающая защиту зданий и сооружений от прямых ударов молнии с определенной степенью надежности.
Наименьшей и постоянной по величине степенью надежности обладает поверхность зоны защиты; по мере продвижения внутрь зоны надежность защиты увеличивается. Тип зоны защиты: А и Б. Зона защиты типа А обладает степенью надежности 99,5 % и выше, а типа Б — 95 % и выше.
Общая схема расчета молниезащитных устройств:
- производится количественная оценка вероятности поражения молнией защищаемого объекта, расположенного на равнинной местности с достаточно однородными грунтовыми условиями на площадке, занятой объектом, т. е. определяется ожидаемое число поражений молнией (N) в год защищаемого объекта;
- в зависимости от категории устройства молниезащиты и полученного значения ожидаемого числа поражений молнией в год защищаемого объекта определяется тип зоны защиты; рассчитываются взаимные расстояния между попарно взятыми молниеотводами и производятся вычисления параметров зон защиты на заданной высоте от поверхности земли.
В зависимости от типа, количества и взаимного расположения молниеотводов зоны защиты могут иметь самые разнообразные геометрические формы. Оценка надежности молниезащиты на различных высотах производится проектировщиком, который в случае необходимости уточняет параметры молниезащитного устройства и решает вопрос о необходимости дальнейшего расчета.
Производственные, жилые и общественные здания и сооружения в зависимости от их конструктивных характеристик, назначения и значимости, вероятности возникновения взрыва или пожара, технологических особенностей, а также от интенсивности грозовой деятельности в районе их местонахождения подразделяют на три категории по устройству молниезащиты:
113
I. Производственные здания и сооружения со взрывоопасными помещениями классов В-1 и В-2 по ПУЭ (к данной категории относятся также здания электростанций и подстанций).
II. Другие здания и сооружения со взрывоопасными помещениями, не относимые к I категории.
III. Все остальные здания и сооружения, в том числе пожароопасные помещения.
Для оценки грозовой деятельности в различных районах страны используется карта распределения среднего числа грозовых часов в году, на которой нанесены линии равной продолжительности гроз или данные местной метеорологической станции (ПУЭ)
Вероятность поражения молнией какого-либо объекта зависит от интенсивности грозовой деятельности в районе его расположения, высоты и площади объекта и некоторых других факторов и количественно оценивается ожидаемым числом поражений молнией в год.
Для зданий и сооружений, не оборудованных молниезащитой, число поражений определяют по формуле:
N n ( S 6 h ) ( L 6 h ) 10 |
6 |
(3.1) |
где п — среднегодовое число ударов молнии на 1 км2 земной поверхности в месте расположения объекта, значения п при равной интенсивности грозовой деятельности определяют по таблицам ПУЭ; S и L — соответственно ширина и длина защищаемого здания (сооружения), имеющего в плане прямоугольную форму, м; h — наибольшая высота защищаемого объекта, м.
Для зданий сложной конфигурации при расчете N в качестве S, L принимают ширину и длину наименьшего прямоугольника, в который может быть вписано здание в плане.
По категории устройства молниезащиты и ожидаемому числу поражений молнией в год защищаемого объекта определяют тип зоны защиты. Здания и сооружения, относящиеся к категории I, подлежат обязательной молниезащите; зона защиты должна обладать степенью надежности 99,5% и выше (зона защиты типа А). Зоны защиты для зданий и сооружений, относящихся ко II категории, рассчитывают по типу А, если N > 1, и по типу Б в противном случае. Зоны, относящиеся к категории III, рассчитывают по типу А, если N> 2, и по типу Б, если N< 2. Это касается только зданий и сооружений, которые относятся к взрыво- и пожароопасным, для всех остальных объектов этой категории независимо от значения N принимается зона защиты типа Б.
114
Расчет молниезащиты зданий и сооружений заключается в определении границ зоны защиты молниеотводов, которая представляет собой пространство, защищаемое от прямых ударов молнии. Зона защиты одиночного стержневого молниеотвода высотой h < 150 м представляет собой круговой конус, который в зависимости от типа зоны защиты характеризуется следующими габаритами:
зона А: |
h 0 |
0 .85 h ; |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
r0 |
(1 .1 |
0 .002 |
h ) h ; |
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
h x |
|
(3.2) |
|
|
(1 .1 |
0 .002 |
|
|
|
||||
|
r x |
h ) h |
|
|
|
|||||
|
0 .85 |
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
зона Б: |
h 0 |
0 .92 h ; |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
r0 |
1 .5 h ; |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
h x |
|
|
|
|
|
(3.3) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
r x |
1 .5 h |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0 .92 |
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
где hо — вершина конуса зоны защиты, м;
r0 — радиус основания конуса на уровне земли, м;
rх - радиус горизонтального сечения зоны зашиты на высоте hх от уровня земли, м;
hx — высота защищаемого сооружения, м.
Зона защиты одиночного стержневого молниеотвода в плане графически изображается окружностью соответствующего радиуса. Центр окружности находится в точке установки молниеотвода.
Зона защиты двойного стержневого молниеотвода высотой до 150 м при расстоянии между молниеотводами, равном L (рис. 3.1.4). Из рисунка видно, что зона защиты между двумя стержневыми молниеотводами имеет значительно большие размеры, чем сумма зон защиты двух одиночных молниеотводов. Часть зоны защиты между стержневыми молниеотводами в сечении, проходящем через оси молниеотводов, является совместной, а остальные ее части называются торцевыми.
Определение очертаний торцевых частей зоны защиты выполняется по расчетным формулам, используемым для построения зоны защиты одиночных молниеотводов, т. е. габариты h0, r0, rх], rх2 (рис.3.1.4)определяют в зависимости от типа зоны защиты по формулам (3.2) или (3.3). В плане торцевые части представляют собой полуокружности радиусом r0 или rх, которые ограничиваются плоскостями, проходящими через оси молниеотводов перпендикулярно линии, соединяющей их основания.
115
Совместная часть зоны защиты ограничивается сверху ломаной линией, которую можно построить по трем точкам: две из них лежат на молниеотводах на высоте h0, а третья расположена посередине между ними на высоте hс. Очертания зоны защиты в сечении 1—2 (рис.3.4.1) определяют по правилам и формулам, принятым для одиночных стержневых молниеотводов.
Рис. 3.1.4 Зоны защиты двойного стержневого
Зоны защиты двойного стержневого молниеотвода имеют следующие габариты:
1. Зона А (существует при L < Зh, в противном случае молниеотводы рассматриваются как одиночные):
При L h : h c h 0 ; rcx rx ; rc r0
|
|
|
|
|
4 h )( L _ h ); rcx |
|
|
|
|
|
h |
x |
|
|
|
|
При |
L h : h c |
|
h 0 ( 0 .17 |
3 10 |
|
r0 |
|
1 |
|
|
|
; rc |
r0 |
(3.4) |
||
|
|
|||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
h c |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
2. Зона Б (существует при L < 5А, в противном случае молниеотводы рассматриваются как одиночные):
ПриL 1 .5 h : hc |
h0 ; rcx rx ; rc r0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
h |
x |
|
|
|
|
ПриL 1 .5 h : h c |
h 0 0 .14 ( L 1 .5 h ); rcx |
|
r0 |
|
1 |
|
|
|
; rc |
r0 |
(3.5) |
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
h c |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
где L — расстояние между молниеотводами, м; Ас — высота зоны защиты посередине между молниеотводами, м; с rс — ширина совместной зоны защиты в сечении А—А (1-2) на уровне земли, м; rсх — ширина горизонтального сечения совместной зоны защиты в сечении А—А на высоте h от уровня.
116
Основное условие наличия совместной зоны защиты двойного стержневого молниеотвода — выполнение неравенства rсх > 0. В этом случае конфигурация совместной зоны защиты в плане представляет собой две равнобедренные трапеции, имеющие общее основание длиной 2rсх, которое лежит посередине между молниеотводами. Другое основание трапеции имеет длину 2rх. Линия, соединяющая точки установки молниеотводов, перпендикулярна основаниям трапеции и делит их пополам. Если rсх = 0, совместная зона защиты в плане представляет собой два равнобедренных треугольника, основания которых параллельны между собой, а вершины лежат в одной точке, находящейся посередине между молниеотводами. Если r сх < 0, построение зоны защиты не производится.
Объекты, расположенные на достаточно большой территории, защищают несколькими молниеотводами (многократный молниеотвод). Для определения внешних границ зоны защиты многократных молниеотводов используются те же приемы, что и для одиночного или двойного стержневых молниеотводов. При этом для расчета и построения внешних очертаний зоны молниеотводы берут попарно в определенной последовательности. Основным условием защищенности одного или группы сооружений высотой hх с надежностью, соответствующей зонам защиты А и Б, является выполнение неравенства rсх > 0 для всех попарно взятых молниеотводов.
Для защиты длинных и узких сооружений, а также в некоторых других случаях используют одиночные тросовые молниеотводы.
Зона защиты, образованная взаимодействием тросового и стержневых (одиночных или двойных) молниеотводов, определяется так же, как и зона защиты многократного стержневого молниеотвода. При этом опоры тросового молниеотвода приравниваются к стержневым молниеотводам высотой h и радиусом основания зоны защиты r, зависящим от типа зоны защиты.
117
3.1.4 Расчет молниезащиты
Методика расчета
Рассчитать молниезащиту - это значит определить тип защиты, ее зону и параметры (таблица 3.1).
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; hХ – высота защищаемого сооружения, м;
hА – активная высота молниеотвода, м;
r0, rХ – радиусы защиты на уровне земли и на высоте защищаемого сооружения, м; hС – высота средней части двойного стрежневого молниеотвода, м;
2rС, 2rХ – ширина средней части зоны двойного стержневого молниеотвода на уровне земли и на высоте защищаемого объекта, м ;- угол защиты (между вертикалью и образующей), град;
L – расстояние между двумя стержневыми молниеотводами, м; а – длина пролета между опорами троса, м;
hОП – высота опоры троса, м;
rХ + r`Х – ширина зоны тросового молниеотвода на уровне защищаемого сооружения, м;
а+2rСХ – длина зоны двойного тросового молниеотвода на уровне защищаемого сооружения, м;
а+2rС – 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)
N 9 h X2 n 10 6 ,
где hХ – наибольшая высота здания лил сооружения, м;
118
n – 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 3.2; - для зданий и сооружений прямоугольной формы
N |
( В 6 h |
X |
)( A 6 h |
X |
) 7 ,7 h 2 |
n 10 6 , |
|
|
|
X |
|
где А и В – длина и ширина здания 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 3.1
. Расчетные формулы молниеотводов при h 150 м.
|
Зона А |
|
Зона Б |
|
1 |
|
2 |
|
Одиночные стержневые молниеотводы (рис.3.1.4. 1) |
||
|
|
|
|
|
h0 = 0,85h |
|
h0 = 0,92h |
|
r0 = (1,1 - 2 10-3h)h |
|
r0 = 1,5h |
r =(1,1 - 2 10-3h)(h-1,2h ) |
r =1,5(h-1,1h ) |
||
Х |
X |
Х |
X |
Двойные стержневые молниеотводы одинаковой высоты (рис. 3.1.4.2)
При L h
hC = h0 rCХ = rX rC = r0
При h L 2h |
При h L 6h |
||||||||||
hC = h0 – (0,17+3 10-4h)(L-h) |
hC = h0 – 0,14(L-h) |
||||||||||
|
rC = r0 |
|
rC = r0 |
||||||||
r = r |
|
(h -h ) |
1 |
|
r = r |
|
(h -h ) |
1 |
|
||
C |
|
C |
|
||||||||
CX |
|
C |
Х |
CX |
C Х |
||||||
|
|
|
|
|
h C |
|
|
|
h C |
||
При 2h L 4h |
При L 6h |
||||||||||
hC = h0 – (0,17+3 10-4h)(L-h) |
Молниеотводы рассматривать как |
||||||||||
rC = r0[1- |
0 , 2 |
(L-2h)] |
одиночны |
||||||||
h |
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
r = r |
|
(h -h ) |
1 |
|
|
|
|
|
|
||
C |
|
|
|
|
|
|
|||||
CX |
|
C |
Х |
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
h C |
|
|
|
|
|
|
При L 4h |
|
|
|
|
|
||||||
Молниеотводы рассматривать как |
|
|
|
|
|
||||||
одиночные |
|
|
|
|
|
||||||
Двойные стержневые молниеотводы разной высоты (рис. 3.1.4.3) |
|||||||||||
Габаритные размеры торцевых областей зон защиты h01, h02, r01, r02, rХ1, rХ2 определяются как для одиночных стержневых молниеотоводов.
119
Габаритные размеры внутренней области зоны защиты определяются по формулам
rC = 0,5(r01+ r02); hC =0,5(hС1+ hС2); rХ = (hС – hХ) rC
h C
Значения hС1 и hС2 определяются как для двойных стержневых молниеотводов одинаковой высоты
Многократные стержневые молниеотводы (рис. 3.1.4.4)
Зона защиты строится посредством попарно взятых соседних стержневых молниеотводов. Основным условием защищенности одного или нескольких объектов высотой с надежностью зон А и Б является rCX 0
Одиночные тросовые молниеотводы (рис. 3.1.4.5)
h0 = 0,85h
r0 = (1,35 - 25 10-4h)h rХ=(1,35 - 25 10-4h)(h-1,2hX)
h0 = 0,92h r0 = 1,7h
rХ=1,7(h-1,1hX)
Двойные тросовые молниеотводы одинаковой высоты (рис.3.1.4.6)
|
|
|
|
|
|
При L h |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
hC = h0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
rCХ = rX |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
rC = r0 |
|
|
|
|
|
|
|
При h L 2h |
|
При h L 6h |
|||||||||||
hC = h0 – (0,14+5 10-4h)(L-h) |
|
hC = h0 – 0,12(L-h) |
|||||||||||
r`X = |
|
L ( h 0 h X ) |
|
|
r`X = |
|
|
L ( h 0 h X ) |
|
||||
|
2 ( h 0 h C ) |
|
|
|
2 ( h 0 h C ) |
||||||||
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
rC = r0 |
|
|
rC = r0 |
|||||||||
r = r |
|
(h -h ) |
1 |
|
|
r = r |
|
|
(h -h ) |
1 |
|
||
0 |
|
C |
|
||||||||||
CX |
C Х |
|
CX |
C Х |
|||||||||
|
|
|
h C |
|
|
|
|
|
h C |
||||
Двойные тросовые молниеотводы разной высоты (рис. 3.1.4.7)
Значения h01, h02, r01, r02, rХ1, rХ2 определяются по формулам одиночных торосовых молниеотводов. Для определения размеров rC и hC используются формулы
rC = 0,5(r01+ r02); hC =0,5(hС1+ hС2)
Значения hС1 и hС2, r`X1, r`X2, rCX вычисляются по выше приведенным формулам двойного тросового молниеотвода.
Примечание. Для одиночного тросового молниеотвода h – это высота троса в середине пролета. С учетом провеса троса сечением 35…50 мм2 при известной высоте опор (hОП) и длине пролета (а) высота троса (в метрах) определяется по формулам
h = hОП – 2 – при а 120 м;
h = hОП – 3 – при 120 а 150 м.
120