§ 50. Молниезащита

Молниезащита — комплекс защитных устройств, предназначенных для обеспечения безопасности людей, сохранно­сти зданий и сооружений от возможных взрывов, загораний и разрушений, вызванных воздействием молнии. Различают первичное и вторичное воздействия молнии. Наибольшую опасность представляет прямой удар молнии или ее первичное воздействие, когда из-за высокой температуры в канале молнии (до 30 000 °С) происходит мгновенный нагрев конструкций здания и воздуха. При этом образуется ударная воздушная волна, вызывающая разрушения. Вторичное воздействие связано с возникновением электростатической и электромагнитной индукции, что может вызвать искрение в воздушных промежутках между металлическими конструкциями здания и привести к пожару или взрыву.

Молниезащита достигается путем устройства молниеотводов и основана на свойстве молнии поражать наиболее высокие и хорошо заземленные металлические сооружения. Любой молниеотвод состоит из трех основных частей: молниеприемника, непосредственно воспринимающего удар молнии, токоотвода (спуска), соединяющего молниеприемник с заземлителем, и заземлителя, через который ток молнии стекает в землю (рис. 40). По типу молниеприемников молниеотводы делятся на стержневые, тросовые и сеточные, а по количеству — на одиночные, двойные и многократные.

Z7 J

\

а)-

Рис. 40. Молниеотводы:

а — отдельно стоящий стержневой молниеотвод; б — тросовый молниеотвод; /— молние­приемник; 2— токоотвод; 3— заземлитель; 4— защищаемый объект; 5— металлические ком­муникации

В окрестности молниеотвода образуется зона защиты, т. е. пространство, в пределах которого с достаточной степенью надежности обеспечивается защита зданий от прямых ударов молнии. Различают зону защиты типа А, обладающую степенью надежности 99,5% и выше, и типа Б — 95% и выше.

В зависимости от назначения зданий и сооружений, вероятности возникновения в них пожаров и взрывов установлены три категории молниезащиты. При этом необходимость выполне­ния молниезащиты и тип зоны при использовании стержневых и тросовых молниеотводов зависят от местоположения защищае­мого объекта и ожидаемого количества ./V его поражений молнией

в год (табл. 15).

Таблица 15

Кате­гория молние­защиты

Категории молниезащиты и типы зон защиты

Местоположение

Здания и сооружения

1

Тип зоны защиты при использовании стержневых и тросовых молниеотводов

На всей террито­рии СССР

Здания и сооружения или I их части, помещения ко­торых согласно ПУЭ от­носятся к зонам классов B-I и В-П

То же, к зонам классов B-Ia, B-I6, В-Па

Зона А

В местностях средней продолжи­тельностью гроз 10 ч/год и более

III

То же, к зонам классов В местностях

средней продолжи­тельностью гроз 20 ч/год и более

II-I, II-II,

III

В местностях со средней продолжи­тельностью гроз 20 ч/год и более То же

При ожидаемом количе­стве поражений молнией в год здания или соо­ружения N>\ — зона А; при Л/<Л —зона Б Для зданий и сооруже­ний I и II степени огнестойкости при 0,1 < <iV<2 и для 111, IV, V степени огнестойкости при 0,02<N<2 — зона Б; при N>2 — зона А При 0,KIV<2 — зона Б; при JV>2 — зона А

<2 зона Б; | III зона А

При 0,1< при Л/>2

II

Зона Б

Наружные установки и открытые склады, соз­дающие согласно ПУЭ зону классов II—Ш Здания и сооружения III, IV, V степени огнестой­кости, в которых отсут­ствуют помещения, отно­симые по ПУЭ к зонам взрыво- и пожароопас­ных классов [Здания вычислительных

центров

Примечание. Устройство молниезащиты обязательно при одновременном

выполнении условий, записанных в гр. 2 и 3.

168

Для зданий и сооружений прямоугольной формы число N определяется по формуле:

N=[(A+ 6hJ(B+ 6h_3R)-7Jhi\n. 1(Г⁶, (13)

где А, В — соответственно ширина и длина здания, м; к_зл— наи­большая высота здания или сооружения, м; п — среднегодо­вое число ударов молнии в 1 км² земной поверхности в месте расположения защищаемого объекта, которое зависит от интенсивности грозовой деятельности и составляет:

Среднегодовая продолжитель­ность гроз, ч.

п. . .

100 и более 8,5

10—20 20—40 40—60 60—80 80—100 1 2 4 5,5 7

Средняя за год продолжительность гроз, ч/год, в данной местности определяется либо по специальной карте (см. Руко­водящий документ РД 34.21.122—87 «Инструкция по устройству молниезащиты зданий и сооружений»), либо по средним мно­голетним данным ближайшей метеостанции. Например в Мур­манске среднегодовая продолжительность гроз менее 10 ч/год, Москве — от 20 до 40 ч/год, Тбилиси — от 60 до 80 ч/год, Ереване—более 100 ч/год.

Здания и сооружения, отнесенные к I и II категориям молниезащиты, должны быть защищены от прямых ударов мол­нии и ее вторичных проявлений, а к III категории — только от прямых ударов.

Молниезащиту зданий ВЦ, относимых к II категории, выполняют отдельно стоящими или установленными на них стерж­невыми или тросовыми молниеотводами. При установке отдельно стоящих молниеотводов расстояние от них по воздуху S_B и земле S₃ до защищаемого объекта не нормируется.

На зданиях с металлической кровлей в качестве молниеприем-ника используют кровлю, а на неметаллическую кровлю укладывают молниеприемную сетку с шагом ячеек не более 6X6 м.

На рис. 41 показана зона защиты одиночного стержневого молниеотвода высотой ft<Cl50 м. Она представляет собой конус с вершиной на высоте h_o<Lh и радиусом на уровне земли Ro. У таких молниеотводов зоны защиты имеют следующие габариты:

Зона типа A: /i_o=O,85/i; R_o= (1,1- 0,002А)й.

Зона типа Б: /i_o=O,92/i; /?о= 1,5ft.

Для соответствующих зон радиус круга горизонтального се­чения на высоте ft_x равен

#*= (! ₁1 _ o,OO2ft) (ft-ft_x/0,85);

170

Рис. 41. Зона защиты одиноч­ного стержневого молниеотвода высотой до 150 м

Для зоны типа Б высота одиночного стерж­невого молниеотвода при известных величинах h_3A и R_x может быть опреде­лена по формуле

Граница зоны защиты на иробне земли

А=(Я_х+1,63йзд)/1,5. (14)

Граница зоны защиты на уровне h_K

Конфигурации защит­ных зон, расчетные форму­лы по определению их га­баритов для молниеотво­дов других типов подроб­но рассмотрены в РД 34.21.122—87.

При устройстве молниеотводов следует соблюдать следующие основные требования.

Молниеприемники стержневых молниеотводов изготовляют из стали любых марок различного профиля сечением не менее 100 мм² и длиной не менее 200 мм. Для защиты от коррозии их окрашивают или оцинковывают. Молниеприемники тросовых молниеотводов выполняют из стальных мнотопроволочных оцинкованных тросов сечением не менее 35 мм² (диаметр около 7 мм).

Токоотводы должны выдерживать нагрев от тока молнии, поэтому их наименьшие сечения должны быть равными 48 мм² снаружи здания на воздухе и 160 мм² — в земле. Токоотводами могут служить металлические элементы зданий — арматура железобетонных конструкций, направляющие лифтов, пожарные лестницы и т. п., электрически надежно связанные по всей длине. При невозможности использования в качестве токоотводов металлических конструкций защищаемого здания токоотводы молниезащиты прокладывают по наружным стенам кратчайшим путем. Во всех случаях соединение молниеприемников с токоотво­дами и токоотводов с заземлителями выполняют сваркой.

Заземлители являются важнейшим элементом в комплексе молниезащиты. Они должны обеспечивать достаточно малое сопротивление растеканию тока молнии в грунте.

При устройстве молниезащиты II категории в виде отдельно стоящего молниеотвода искусственный заземлитель выполняют из трех и более вертикальных электродов длиной не менее 3 м, объединенных горизонтальным электродом, при расстоянии

171

между вертикальными электродами не менее 5 м. Для той же категории молниезащиты в случае использования в качестве молниеприемника металлической кровли или сетки искусственный заземлитель выполняют в виде контуров, проложенных по периметру зданий. Причем в грунтах с эквивалентным удельным сопротивлением д^бОО Ом- м при площади здания более 250 м² — из горизонтальных электродов, уложенных в земле на глубине не менее 0,5 м, а при площади здания менее 250 м² к этому контуру в местах присоединения токоотводов приварива­ют по одному вертикальному или горизонтальному лучевому электроду длиной 2—3 м; в грунтах с удельным сопротивлением 500 Ом- m<Iq^1000 Ом- м при площади здания более 900 м² достаточно выполнить контур только из горизонтальных электро­дов, а при площади здания менее 900 м² к этому контуру в местах присоединения токоотводов приваривают не менее двух верти­кальных или горизонтальных лучевых электродов длиной 2—3 м на расстоянии 3—5 м между ними.

В качестве заземлителей молниезащиты допускается использо­вать защитные заземлители электроустановок, а также железобе­тонные фундаменты зданий и сооружений.

Кроме защиты от прямого удара молнии в ВЦ осуществляют следующие мероприятия по защите от вторичных проявлений молнии и заноса высокого потенциала по надземным, наземным и подземным металлическим коммуникациям:

металлические корпуса всего оборудования и аппаратов, установленных в здании, присоединяют к заземляющему устройству электроустановок или железобетонному фундаменту, применяемому в качестве заземлителя молниеотвода;

внутри здания между трубопроводами и другими протяженны­ми металлическими конструкциями в местах их взаимного сближения на расстояния менее 100 мм через каждые 30 м устанавливают перемычки из стальной проволоки диаметром не менее 5 мм;

металлические коммуникации в местах ввода в здание присоединяют к заземлителю защиты от прямых ударов молнии;

сети воздушных линий электропередач, телефона, радио, сигнализации вводятся в здание только кабелями длиной не менее 50 м с металлической броней или оболочкой либо проложенными в металлических трубах, которые соединяют с заземлителем ^-железобетонным фундаментом, искусственным заземлителем или защитным заземляющим устройством электроустановок.

Пример. Запроектировано одиночно расположенное здание ВЦ размерами Л=36 м, В=18 м, Л_зд=15 м. По данным местной метеостанции среднегодовая продолжительность гроз составляет 50 ч. Грунт в месте строительства ВЦ — песчаный с удельным сопротивлением р=700 Ом- м. Дать рекомендации по устройству молниезащиты с использованием отдельно стоящего стержневого молниеотвода и молниеприемной сетки.

172

Согласно табл. 15 здания ВЦ подлежат молнйезащите по II категории в местностях со средней продолжительностью гроз 20 ч/год и более. При этом для стержневых молниеотводов установлена зона защиты типа Б. Поскольку расстояние от отдельно стоящего молниеотвода до зданий, относимых ко II категории молниезащиты, не нормируется, располагаем опору молниеотвода в непосредственной близости от здания ВЦ, как показано на рис. 42, а. Тогда из решения прямоугольного треугольника имеем

По формуле (14) определяем необходимую высоту молниеотвода: Л= (25,46+ 1,63- 15)/1,5=33,3 м.

Молниеприемник из круглой стали диаметром 12 мм и длиной 2 м приварива­ем к верху типовой металлической опоры, решетчатая конструкция которой выполняет роль токоотвода. Для растекания тока в земле устраиваем заглубленный на 0,6—0,8 м от поверхности земли искусственный заземлитель в виде трех вертикальных электродов, соединенных горизонтальной полосой (см. рис. 42, а).

Рис. 42. К примеру:

а — с использованием стержневого молниеотвода; б — с исполь­зованием молниеприемной сетки

При неметаллической кровле здания ВЦ в качестве молниеприемника может быть использована уложенная на кровлю сетка из круглой или полосовой стали с размерами ячеек 6X6 м (рис. 42, б). Для соединения молниеприемной сетки с заземлителем прокладываем по наружным стенам здания четыре токоотвода из стали круглого сечения диаметром 8 мм. Токоотводы располагаем равномерно — по одному на каждой стене. Заземлитель молниеотвода выполняем в виде горизонтального контура из полосовой стали с размерами сечения 40X4 мм,

У	'о
В=18м

173

уложенного на глубину промерзания грунта по периметру здания. Поскольку удельное сопротивление грунта в месте строительства q>500 Ом • м и площадь здания S=36X 18=648<900 м², к этому контуру в местах присоединения токоотводов привариваем дополнительно по два горизонтальных лучевых электрода из некондиционных водогазопроводных труб (см. рис. 42, б).