3.5 Розрахунок блискавкозахисту об’єктів

3.5.1 Загальні відомості

Блискавкозахистом називається комплекс захисних пристроїв, які призначені для забезпечення безпеки людей, захисту будівель і споруд, приладів та матеріалів від вибухів, загорянь і руйнування. Для сприймання електричного розряду блискавок і відводу струмів блискавки в землю служать спеціальні пристрої – блискавковідводи. Блискавковідводи складаються із несучої частини (опори); блискавкоприймача, який безпосередньо сприймає удари блискавки; струмовідводу (спуску), що з’єднує блискавкоприймач з заземлювачем і заземлювача для відводу струму в землю.

Блискавковідводи поділяють на стрижневі, тросові і сітчасті. По кількості діючих блискавкоприймачів їх поділяють на одиночні, подвійні і многократні (три і більше).

Захисна дія блискавковідводів заснована на властивості блискавки вражати найбільш високі і добре заземлені металеві споруди. Завдяки цьому більш низькі за висотою будинки, яки входять у зону захисту даного блискавковідводу, не будуть уражені блискавкою.

3.5.2 Порядок обґрунтування і розрахунку блискавкозахисту

1. Визначають очікувану на рік кількість уражень блискавкою будівель, не обладнаних блискавкозахистом за формулою:

N= , (3.18)

де В і А - відповідно ширина і довжина будівлі, що має в площі прямокутну форму, м;

Н_М - найбільша висота будівлі (споруди), м;

n – середньорічна кількість ударів блискавки на 1 км² земної поверхні в місці розташування будівлі (табл. 3.19).

Середньорічна кількість ударів блискавки на 1 км² земної поверхні (n) залежіть від інтенсивності грозової діяльності К (табл. 3.20).

2. Встановлюється категорія захисту об’єкта. (табл. 3.21).

В залежності від характеру необхідних заходів по блискавкозахисту, всі будинки і споруди поділяються на три категорії. До І категорії відносяться промислові будинки і споруди з вибухонебезпечними зонами класів В-І і В-ІІ, розташовані на всій території України. До ІІ категорії відносяться промислові будинки і споруди класів В-Іа, В-Іб і В-ІІа, розташовані у місцевості з середньою грозовою діяльністю К, рівною десяти і більше годинам на рік. До ІІІ категорії відносяться інші виробничі, сільськогосподарські, житлові і суспільні будинки, споруди та склади, об’єкти класів П-І, П-ІІ, П-ІІа.

Блискавкозахист І і ІІ категорії передбачає захист будівель і споруд від прямих влучень блискавок, від електростатичної і електромагнітної індукції і заносу високих потенціалів через надземні і підземні металічні конструкції і комунікації.

3. Обирається тип і конструкції блискавковідводів.

Для об’єктів з блискавкозахистом І категорії блискавковідводи на спорудах не встановлюються, а стрижневий блискавковідвід повинен мати діелектричний стояк (частину його) висотою, не менше 8 м над спорудою, при опорі заземлення не більше 10 Ом.

Відстань струмовода від споруд повинна бути не менше 8 м.

Допустима відстань від стрижневого блискавковідводу або від тросового стояка до споруди - не менше 4 м. При цьому висота троса над спорудою приймається в межах 3-7 м (при висоті тросового стояка від 65 до 150 м відповідно). Слід також враховувати і прогин тросу.

Захист від прямого удару блискавки будівель та споруд, які відносяться до ІІ та ІІІ категорій, може бути здійснений або за допомогою окремих неізольованих стрижневих та тросових блискавковідводів, що встановлюються на будівлях (відстань від них до будівлі не нормується), або ж шляхом заземлення металевої покрівлі, чи влаштуванням блискавкоприймача з металевої сітки із сталевого дроту діаметром 6-8 мм. (з чарункою 6 х 6 м., та 12 х 12 м. для ІІ і ІІІ категорій відповідно).

4. Визначається зона захисту блискавковідводу.

Зона захисту блискавковідводу – це частина простору, у середині якого будівля або споруда захищена від прямих ударів блискавок з певним ступенем надійності.

Зона захисту типу А володіє ступенем надійності 99,5% і вище, а зона захисту типа Б – 95% і вище.

Для об’єктів, які відносяться до І категорії блискавкозахисту, передбачають блискавковідводи із зонами захисту тільки типу А.

Зона захисту для одиночного стрижневого блискавковідводу показана на рис. 3.9.

Рис. 3.9. Зони захисту А і Б одинарного стрижневого блискавковідводу:

Нх – висота об’єкту (будинку); Rx – радіус кола горизонтального перетину на висоті Нх; Н – висота блискавковідводу

Зона захисту являє собою круговий конус висотою Н₀ з радіусом основи R₀ . Для зони А – вужче і нижче, для зони Б – ширше і вище (при одній і тій же висоті блискавковідводу Н) .

Співвідношення, що характеризують зони А і Б у одиночного стрижневого блискавковідводу висотою Н<150 м наступні:

Зона А

Вершина зони Н₀ = 0,85 Н.

Радіус кола на рівні землі R₀ = (1,1–0,002Н)Н.

Радіус Rх кола горизонтального перетину зони захисту на висоті Нх дорівнює:

Rх =(1,1–0,002Н)(Н – Нх/0,85) . (3.19)

Зона Б

Н₀ = 0,92 Н.

R₀ =1,5Н.

Rх =1,5(Н – Нх/0,92) . (3.20)

Знаючи висоту блискавкоприймача Н, можна визначити габарити зони захисту, або, знаючи Нх – висоту будинку, і Rх, можна визначити висоту блискавковідводу.

Для зони А з рівняння (3.19):

Н_1,2= , (3.21)

де в=1,1+0,00235 Нх; с = Rх+1,294 Нх.

З двох коренів Н приймаємо той, що має логічне значення.

Для зони Б з рівняння (3.20) :

Н= . (3.22)

Побудова зони захисту Б одинарного стрижневого блискавковідводу висотою Н<150 м. (рис. 3.10) виконується наступним чином.

Від основи блискавковідводу (точка О) у протилежні боки відкладаються два відрізки ОА і ОВ, які дорівнюють 1,5 Н, на блискавковідводі відкладається відрізок ОС = 0,92Н. Точки А і В з’єднують з точкою С. Конус АСВ з вершиною в точці С і утворюючими АС і ВС, радіусом основи R₀ і є зона захисту, яку забезпечує даний блискавковідвід.

Рис. 3.10. Зона захисту одинарного блискавковідводу

Для визначення величині радіуса захисту Rх на будь якій висоті Нх зони захисту використовується формула (3.20):

Rх =1,5 _.

Зона захисту двох стрижневих блискавковідводів однакової висоти при Н<150 м, зображена на рис. 3.11.

Рис. 3.11. Зона захисту подвійного стрижневого блискавковідводу при L> Н

Величина Нх приймається рівною висоті споруди, а Rх – з розрахунку перекривання зоною захисту половини споруди на рівні його висоти Нх.

Два стрижневі блискавковідводи доцільно застосовувати при розмірах споруди в плані в межах від 1:1,5 до 1:3. Блискавковідводи розташовуються в торцях споруди.

Розміри зони захисту між блискавковідводами (Нс, Rс, Rсх, Rсо) визначають наступним чином:

Зона А:

а) При L< Н , Нс = Но; Rсх = Rх; Rсо = Rо ; (3.23)

б) При Н < L < 2Н , Нс = Но - (0,17+3·10^{- 4}Н)( L -Н); (3.24)

Rсх= ; (3.25)

Rс = Rо ; (3.26)

в) При 2Н < L < 4Н,

Нс = Но - (0,17+3·10^{- 4}Н)( L -Н); (3.27)

Rсх = ; (3.28)

Rс = Rо , (3.29)

де L – відстань між блискавковідводами.

Зона Б:

а) При L< Н ,

Нс = Но; Rсх = Rх; Rсо = Rо ; (3.30)

б) При Н < L < 6Н,

Нс = Но - 0,14( L -Н); (3.31)

Rсх = ; (3.32)

Rсо = Rо . (3.33)

Зона захисту одинарного тросового блискавковідводу висотою Н<150 м зображена на рис. 3.12, де Н – висота троса в точці найбільшого провисання. З врахуванням стріли провисання висота опори Ноп = Н+3м при L = 120-150м, або Ноп = Н+2м при L = 120м.

Рис. 3.12. Зона захисту одинарного тросового блискавковідводу

Одинарний тросовий блискавковідвід доцільно застосовувати при співвідношенні сторін споруди більше, ніж 1:3.

Зона захисту одинарних тросових блискавковідводів має габарити:

Зона А:

Но=0,85Н;

Rо=(1,35 – 0,0025Н)Н;

Rх=(1,35–0,0025Н) . (3.34)

При розрахунках зони захисту підбирають висоту Н, або значення Нх та Rх приймаються як відомі. При цьому Rх, як і у випадку з одинарним стрижневим блискавковідводом, визначається графічно, виходячи з перекривання споруди на рівні її висоти Нх. Знаючі Нх та Rх, можемо знайти Н, розв’язуючі квадратне рівняння:

Н_1,2= , (3.35)

де в=1,35+0,00294 Нх; с = 1,59Нх +Rх.

З двох коренів Н обирається той, чиє значення логічне.

Для об’єктів першої категорії блискавкозахисту при визначенні величини Н враховується мінімальна висота тросу над спорудою.

Зона Б:

Но=0,92Н;

Rо=1,7 Н;

Rх=1,7 . (3.36)

При відомих величинах Нх та Rх висота Н для зони Б може бути визначена за формулою:

Н= . (3.37)