Исследование молниезащиты зданий и шагового напряжения

1. Цель работы: в соответствии с требованиями СН 805-69 выбрать вариант молниезащиты заданного объекта и проверить её эффективность.

2. Общие положения.

Молния - это электрический разряд в атмосфере между разноименно заряженными частями облаков или между облаком и землей. Длина канала молнии обычно достигает нескольких: километров (в среднем 5 км), причем значительная часть его находится внутри грозового облака.

Предшествующий разряду молнии процесс разделения и на­копления электрических зарядов в облаках связан с возникновением в них мощных восходящих воздушных потоков, с интенсивной конденсацией водяных паров и разбрызгиванием водяных капель. Образующаяся при разбрызгивании мельчайшая водяная пыль за­ряжена отрицательно, а тяжелые капли - положительно. Ветер разносит отрицательно заряженную водяную пыль на значительные расстояния, образуя основной массив грозового облака. Положительно заряженные капли выпадают в виде дождя на землю или удерживается во взвешенном состоянии, образуя в грозовом облаке местное скопление положительных зарядов. В результате этих процессов в различных частях грозового облака происходит сосредоточение значительных униполярных зарядов. В большинстве случаев нижняя часть грозового облака оказывается заряженной отрицательно, а в самом облаке образует гигантский конденсатор, второй "обкладкой" которого является земля; на поверхности последней индуктируются положительные заряды. По мере концент­рации зарядов увеличивается напряженность электрического поля вблизи облака или у земли (порядка 3000 кВ/м), создаются все ус­ловия для развития молнии.

Наибольшую опасность из всех разрядов молнии представ­ляет разряд между облаком и землей в форме линейной молнии.

Воздействие разрядов молнии может быть двух видов: во-первых, молния может поражать здания и установки непосред­ственно: такое поражение называется прямым ударом молнии; во-вторых, молния может оказывать вторичные воздействия, объ­ясняемые явлениями электростатической и электромагнитной ин­дукций, а также запасом высоких потенциалов через надземные и подземные металлические коммуникации.

Формирование грозовой облачности и, следовательно, грозовая деятельность зависит от климатических условий и рель­ефа местности. Для расчета грозозащитных мероприятий необхо­димо иметь конкретную величину, характеризующую грозовую дея­тельность в данной местности. Такой величиной является интен­сивность грозовой деятельности, которую принято определять числом грозовых часов или грозовых дней в году, вычисляемой как среднеарифметическое значение за ряд лет наблюдений для определенного места земной поверхности.

В России среднее число поражений молнией 1 км ² земной поверхности в год принимается в зависимости от среднегодовой продолжительности гроз (см. табл. 19).

Таблица 19 Интенсивность грозовой деятельности

Интенсивность грозовой деятельности, ч/год	Среднее количество пора­жений молнией 1 км2/год
20-40 40-60 60-80 80- 100 более 100	2.5 8,8 5,0 6,8 7.5

Ожидаемое число поражений молнией в год зданий в сооружении высотой не более 60 м, не оборудованных молниезащитой, определяется по формуле:

Ν = (S + 3 h_x) (L+3 h_x) n, (24)

10⁶

где S ^и L - соответственно ширина и длина защищавшего здания (сооружения), м;

h_x - высота здания по его боковым сторонам, м,

n - среднее число поражений молнией 1 км² земной поверхности в год (табл 19.).

Использование тех или иных методов для защиты зданий и сооружений от различных воздействий разряда молнии произво­дится в строгом соответствии с классификацией этих объектов в части устройства молниезащиты (конструктивные характеристи­ки объекта, его назначение и значимость, степень взрывоопас­ности, технологические особенности и т.п.).

Производственные, жилые и общественные здания и соору­жения в зависимости от их назначения, а также от интенсивнос­ти грозовой деятельности в районе их местонахождения должны иметь молниезащиту в соответствии с категориями устройства молниезащиты, приведенными в СН 305-69.

2.1. Зашита от прямых ударов молнии.

Прямой удар является наиболее опасным из всех проявле­ний молнии с точки зрения поражения зданий и сооружений. В настоящее время защита зданий и сооружений от прямых ударов молнии осуществляется при помощи молниеотводов различных моди­фикаций.

Молнии имеют свойства избирательно поражать заземленные (электропроводность стремится к бесконечности) и возвышающие­ся над поверхностью земли металлические предметы. Защитное действие каждого молниеотвода основано именно на этой особен­ности грозового разряда.

Молниеотвод представляет собой возвышающееся над защищае­мым объектом устройство, воспринимающее прямой удар молнии, и отводящее токи молнии (посредством определенной системы зазем­ления) в землю.

Каждый молниеотвод независимого типа состоит из следую­щих основных элементов.

По типу молниеприемников молниеотводы делятся на стерж­невые и тросовые: по количеству совместно действующих молние­отводов - на одиночные, двойные и многократные. Кроме того, мол­ниеотводы бывают отдельно стоящие, изолированные и не изолиро­ванные от защищаемого здания.

Каждый молниеотвод образует вокруг себя строго определенное пространство, вероятность попадания в которое молнии практически равна нулю. Это пространство обычно называют зоной защиты.

2.2. Расчет молниезащиты зданий и сооружений.

Разряды атмосферного электричества могут поражать здания, сооружения, людей и животных, приносить значительный ущерб сельскому хозяйству. Для обеспечения безопасности зданий, сооружений, оборудования от воздействия молнии применяют комплекс устройств молниезащиты. Конструкция и размеры элементов молниезащиты зависят от высоты, ширины и длины зданий. Размер зоны защиты для одиночного стержневого молниеприемника при степени надежности выше 95% (тип Б) определяют по формулам:

где - радиус зоны защиты здания на высоте , м;

h – высота одиночного стержневого молниеприемника, м;

- высота защищаемого здания, м;

- радиус зоны защиты, м;

- зона защиты молниеотвода, м.

Пример. Рассчитать радиус зоны защиты одиночного стержневого молниеотвода высотой 10 м на высотах 4,6 и 10 м. Степень надежности молниеотвода выше 95% (зона Б).

Решение.

Задание 1. Рассчитать радиус зоны защиты одиночного стержневого молниеотвода при следующих условиях:

Таблица 14 Исходные данные для расчёта молниеотвода

№ вар	Зона защи-ты	H				№ вар	Зона защи-ты	h
1	Б	10	4	8	6	14	А	16	7	10	12
2	А	10	4	6	8	15	А	10	5	6	8
3	Б	12	5	7	9	16	А	12	7	10	6
4	Б	14	6	8	10	17	Б	13	8	6	7
5	А	14	6	8	10	18	Б	14	12	8	6
6	Б	16	6	10	12	19	Б	15	8	11	10
7	А	16	6	10	12	20	Б	13	7	9	11
8	Б	12	7	5	9	21	А	12	8	6	4
9	Б	11	9	6	8	22	А	10	6	4	8
10	А	11	9	8	6	23	Б	12	10	6	4
11	Б	18	12	14	10	24	А	15	12	8	10
12	Б	14	9	11	7	25	Б	16	14	12	10
13	А	10	6	8	4

Задание 2. Дать описание устройства и схему зоны защиты одиночного стержневого молниеотвода.

2.3. Расчет шагового напряжения.

Напряжение между двумя точками земли с разными электрическими потенциалами, находящимися одна от другой на расстоянии шага и на которых стоит человек или животное, называется напряжением шага.

(29)

где и - потенциалы точек, на которых находятся левая и правая нага человека или передние и задние ноги животных. Величина этих потенциалов зависит от сопротивления грунта и расстояния от заземлителя.

Пример. Произошел обрыв на землю высоковольтного провода напряжением 6 кВ, ток замыкания на землю - 10 А. Человек оказался от упавшего провода на расстоянии 0,2 м. Ширина его шага - 0,6 м. Удельное сопротивление грунта - 100 Ом/м. Определить опасность поражения человека шаговым напряжением.

Решение: 1. Определяем сопротивление грунта в точке А для левой ноги, которая находится на расстоянии 0,2 м от точки касания провода:

Сопротивление грунта в точке Б для правой ноги, которая находится на расстоянии 0,2+0,6=0,8 м от точки касания провода:

2. Определяем падение напряжения в точках А и Б:

3. Определяем потенциалы в точках А и Б:

4. Определяем шаговое напряжение:

Напряжение шага 600 В опасно для жизни.

Задача № 1. Рассчитать шаговое напряжение при обрыве высоковольтного провода и определить опасность поражения человека (животного).

Таблица 15 Исходные данные для расчёта шагового напряжения

№ вар	Объект поражения	U	I	φ	ОА	Ш	VШ	№ вар	Объект поражения	U	I	φ	ОА	Ш	VШ
1	человек	6	10	80	0,3	0,7		13	человек	12	8	120	0,6	0,6
2	человек	8	10	100	0,4	0,6		14	человек	15	12	100	0,8	0,7
3	корова	6	10	80	0,5	1,3		15	человек	10	8	110	0,7	0,8
4	лошадь	8	12	90	1,0	1,8		16	человек	6	10	70	0,5	0,7
5	человек	10	14	110	0,2	0,6		17	корова	8	10	100	1,0	2,0
6	овца	4	6	80	0,3	0,9		18	корова	6	8	90	0,9	1,8
7	человек	8	9	110	0,6	0,6		19	лошадь	6	10	110	1,2	2,2
8	человек	12	10	70	0,7	0,7		20	овца	8	10	100	0,6	0,9
9	человек	10	8	120	0,6	0,8		21	свинья	6	8	90	0,5	0,8
10	корова	6	8	70	1,0	1,5		22	корова	10	8	110	0,6	1,8
11	корова	6	10	110	0,8	1,6		23	человек	6	10	70	0,2	0,7
12	человек	8	10	110	0,5	0,6		24	человек	8	10	90	0,3	0,7
								25	человек	10	12	120	0,7	0,6

U – напряжение упавшего провода, кВ;

I – ток замыкания на землю, А;

φ – удельное сопротивление грунта, Ом/м;

ОА – расстояние от провода до ближайшей ноги (передние ноги животного), м;

Ш – длина шага, м.

Задание №2. Приведите схему образования шагового напряжения с обозначением всех параметров.

Задание №3. Приведите схему для определения напряжения прикосновения с примером расчета опасности поражения электротоком при прикосновении человека к корпусу электродвигателя с поврежденной изоляцией.

Практическая работа № 7