5.2 Расчет напряженности электрического и магнитного полей

Источники электромагнитных полей бывают естественные и искусственные. К естественным источникам относятся: электрическое и магнитное поле Земли, излучения живых организмов, внеземные источники. К искусственным источникам относятся любые технические устройства, использующие или вырабатывающие энергию. Основными характеристиками электромагнитного поля являются: период, частота, скорость и длина волны, зона воздействия, интенсивность, напряженность.

Исходными данными для расчетов электрического поля прямолинейного провода конечной длины являются: потенциал провода U₀, В; радиус провода r₀, м; длина провода L, м; расстояние от оси провода до точки наблюдения r , м. Напряженность электрического поля в точке наблюдения, В/м, определяется по формуле:

. (5.4)

Исходными данными для расчета напряженности магнитного поля прямолинейного провода конечной длины являются: сила тока, протекающего по проводу, I₀, А; длина провода L, м; расстояние от оси провода до точки наблюдения r, м. Напряженность магнитного поля в точке наблюдения, А/м, определяется по формуле:

. (5.5)

Чтобы рассчитать напряженность электрического поля двухпроводной линии, необходимы такие показатели, как разность потенциалов между проводами, U₀, радиус провода r₀, м; расстояние между проводами d, м; расстояние от оси линии до точки наблюдения r, м; угол между линией оси проводов и линией, соединяющей ось проводов и точку наблюдения α, град. Напряженность электрического поля в точке наблюдения, В/м, имеет две компоненты:

(5.6)

. (5.7)

Искомая напряженность в точке наблюдения, В/м, определяется по формуле:

. (5.8)

Исходные данные для расчета представлены в таблице 5.7.

Таблица 5.7 – Исходные данные для расчета

Потенциал провода, U0, В	Сила тока, протекающего по проводу, I0, А	Длина провода, L,м	Расстояние от оси провода до точки, r, м	Радиус провода, r0, м
20	0,02	100	5	0,01

5.3 Расчет молниезащиты

Задачей расчета молниезащиты является определение высоты стержневого молниеотвода (М, м) который предполагается установить на пересечении диагоналей плоскости крыши объекта. Учитывая категорию производства по степени пожарной опасности, классы опасных зон по пожаро- и взрывоопасности в соответствии с ПЭУ, необходимо определить число поражений молнией в год строений, не оборудованных молниезащитой, из выражения:

М = (b + 6h)∙(l + 6h)·n·10^-6, (5.9)

где l, b — соответственно длина и ширина строения, имеющего в плане

прямоу­гольную форму, м;

h — высота строения по его боковым сторонам, м;

n — средне­годовое число ударов молний на 1 км² земной поверхности

в районе расположе­ния объекта, выбираемое в зависимости от

интенсивности грозовой деятельности из следующих значений

(таблица 5.8).

Таблица 5.8 - Средне­годовое число ударов молний

Интенсивность грозовой деятельности, ч/год	10…20	20…40	40…60	60…80	80 и более
n	1	3	6	9	12

Для объектов и высоких строений типа водонапорная башня, (силосная башня, труба котельной и т. п.) ожидаемое число пора­жений молнией определяется по формуле:

М= r²n * 10^-6, (5.10)

где r – эквивалентный радиус, м: r = 3,5·h_об;

h_об – высота объекта или строения, м.

Исходя из конструкции зданий и сооружений, их взаимного расположения, размеров и формы выбирается тип молниеотвода, который может быть одиночным стержневым, двойным стержневым, многократным стержневым, одиночным тросовым, двойным тросовым. Зона защиты молниеотвода представляет собой часть простран­ства, примыкающего к молниеотводу, внутри которого здание или сооружение защищено от прямых ударов молнии с определенной степенью надежности. Существуют зоны защиты двух типов: А - имеющая степень надежности 99,5 % и выше; Б - со степенью на­дежности 95 % и выше. Например, для объектов сельскохозяйственного на­значения, как правило, требуется зона Б (таблица 5.9).

Таблица 5.9 - Классы зон и категории устройств молниезащиты зданий и сооружений

Здания и сооружения	Место расположения	Здания и сооружения	Кате-гория
Здания и сооружения (или их части) с производствами, которые относятся к зонам класса В - I и В- II*	На всей территории РФ	Зона А	II*
Здания и сооружения (или их части) с производствами, которые относятся к зонам класса В –I а, В-Iб, В- IIа	В местностях со средней грозовой деятельностью 10 ч в год и более	При ожидаемом количестве поражений молнией в год зданий или сооружений М ≤ 1 – зона Б; при М >1 – зона А	II
Наружные технологические установки и открытые склады (класс В - Iг)	На всей территории РФ	Зона Б	II
Здания и сооружения с производствами, которые относятся к зонам класса П - I, П - II и П - IIа	В местностях с интенсивностью грозовой деятельности 20 ч в год и более	Для зданий и сооружения I и II степеней огнестойкости при ожидаемом числе поражений молнией в год 0,1<М≤ 2 и для III, IV, V степеней огнестойкости при 0,02 < М ≤ 2 – зона Б; при М > 2 – зона А.	III
Наружные технологические установки и открытые склады, классов П - I и П - II	То же	Зона Б	III
Здания и сооружения III, IV, V степеней огнестойкости, в которых отсутствуют взрыво- и пожароопасные производства	То же	При ожидаемом количестве поражений молнией в год 0,1<М≤2– зона Б; при М>2 – зона А	III
Животноводческие и птицеводческие здания и сооружения III, IV, V степеней огнестойкости: для крупного рогатого скота и свиней на 100 голов и более, для лошадей – на 40 голов и более, для овец – на 500 голов и более, для птицы – но 1000 голов и более	В местностях со средней интенсивностью грозовой деятельности 40 ч в год и более	Зона Б	III
Дымовые трубы предприятий и котельных, водонапорные и силосные башни, вышки различного назначения высотой 15 м и более	То же, 10 ч в год и более	Зона Б	III

Примечание:

* Согласно Правилам устройства электроустановок (ПУЭ).

** Здания и сооружения, отнесенные по устройству молниезащиты к I и II ка­тегориям, должны быть защищены от прямых ударов молнии, электростатической и электромагнитной индукции и заноса высоких потенциалов через наземные и подземные металлические коммуникации. Здания и сооружения, отнесенные по устройству молниезащиты к III категории, должны быть защищены от прямых ударов молнии и заноса высоких потенциалов через наземные металлические коммуникации. Наружные установки, отнесенные по устройству молниезащиты ко II катего­рии, должны быть защищены от прямых ударов молнии и электростатической индукции. Наружные установки, отнесенные по устройству молниезащиты к III категории, должны быть защищены от прямых ударов молнии.

Зона защиты одиночного стержневого молниеотвода высотой h ≤ 150 м представляет собой конус, вершина которого находится на высоте h_о < h, а основание образует круг радиусом r_x (рисунок 5.1).

Рисунок 5.1 - Зона защиты одиночного стержневого молниеотвода

высотой до 150 м

Для зоны типа А эти размеры определяют по формулам:

h_о = 0,85·h, (5.11)

r₀ = (1,1 - 0,002h)·h, (5.12)

r_x = (1,1 - 0,002h)·( ); (5.13)

для зоны типа Б:

h_о = 0,92·h, (5.14)

r₀ = 1,5·h, (5.15)

r_x = 1,5·( ). (5.16)

При известных значениях h_x и r_x высота молниеотвода для зоны типа Б определяется по формуле:

. (5.17)

Радиус зоны защиты молниеотвода при установке его на крыше здания, м, определяется из выражения:

r_x0 = 0,5· . (5.18)

Принимая для этого случая h_x = 0, рассчитывается высота одиноч­ного стержневого молниеотвода, м, по формуле:

h₀ = . (5.19)

Радиус зоны защиты молниеотвода при установке его на рас­стоянии с = 1 м от угла здания будет вычисляться из выражения:

r_x1 = с + . (5.20)

При h_x = h высота молниеотвода определяется по формуле:

h = . (5.21)

Для примера, размеры объекта, требующего защиты от атмос­ферного электричества, например, в зоне типа Б, следующие: длина а = 10 м, ширина b = 6 м, высота h_x = 3,5 м.