Ирина Эланс

Автор который поможет с любыми образовательными и учебными заданиями

Молниезащита

Введение

МОЛНИЕЗАЩИТА - комплекс мероприятий и средств, обеспечивающих безопасность людей, сохранность зданий и сооружений, оборудования и материалов от прямых ударив молнии, электромагнитной и электростатической индукции, а также от заноса высоких потенциалов через металлические конструкции и коммуникации.

На земном шаре ежегодно происходит до 16 млн гроз, т. е. около 44 тыс. за день. Прямой удар молнии очень опасен для людей, зданий и сооружений вследствие непосредственного контакта канала молнии с поражаемыми объектами. Убытки только от пожаров и взрывов, вызванных этим явлением, в ряде случаев колоссальные. Прямой удар молнии также может производить сильные механические разрушения, приводя в негодность чаше всего дымовые трубы, мачты, вышки, а иногда и стены зданий. Расчеты показывают, что затраты на осуществление молниезащитных мероприятий приблизительно в 1,5 раза меньше стоимости сгоревших за пять лет зданий и сооружений.

Молниезащита — это обязательная часть любого здания, любого производственного объекта. Без системы молниезащиты здание и соответственно, люди и имущество находящиеся в нем, беззащитны перед ударом стихии.

Молниезащита разделяется на внешнюю и внутреннюю.

Внешняя молниезащита представляет собой систему, обеспечивающую перехват молнии и отвод её в землю, тем самым, защищая здание от повреждения и пожара.

Внутренняя молниезащиты представляет собой комплекс мер и устройств (УЗИП) предназначенных для уравнивания потенциалов: исключает возможность возникновения опасного напряжения в электрических цепях и трубопроводах входящих в здание.

В состав внешней молниезащиты входят:

- молниеприемник — устройство, перехватывающее разряд молнии (громоотвод);

- тоководы (спуски) — часть системы молниезащиты, предназначенная для отвода тока молнии от молниеприемника к заземлителю;

- заземлитель — металлический проводник в заглубленный в почву, обеспечивающий растекание тока молнии в землю.

Внутренняя молниезащита состоит из устройств защиты от импульсных перенапряжений (УЗИП) и эффективной системы заземления.

1 Теоретическая часть

Общие понятия о молниезащите и зонах защиты молниеотводов.

Молния - одно из самых удивительных явлений природы, которое на и протяжении тысячелетий поражало воображение людей. Однако научное исследование молнии началось лишь около двух столетий назад, когда д'Алибар во Франции (в 1752 г.) и Франклин в Америке положили начало эре электричества, заложив основы нашего современного «электронного общества». Изучение молнии развивалось от наблюдений и умозрительных рассуждений к теоретическим и экспериментальным работам, основанным на теории электромагнетизма и физике плазмы. По мнению многих исследователей, в настоящее время физика нормальной молнии хорошо понята. При этом, разумеется, остаются открытыми для исследования многочисленные детали.

Молния представляет собой гигантский электрический искровой разряд между облаками и земной поверхностью, или между облаками, или между разными частями облака. Форма молнии обычно похожа на разветвленные корни разросшегося в поднебесье дерева. Длина линейной молнии составляет несколько километров, но может достигать 20 км и более. Основной канал молнии имеет несколько ответвлений длиной 2-3 км. Диаметр канала молнии составляет от 10 до 45 см. Длительность существования молнии составляет десятые доли секунды. Средняя скорость движения молнии 150 км/с. Сила тока внутри канала молнии доходит до 200 000 А. Температура плазмы в молнии превышает 10 000⁰С. Напряженность электрического поля внутри грозового облака составляет от 100 до 300 В/см, но перед разрядом молнии в отдельных небольших объемах она может доходить до 1600 В/см. Средний заряд грозового облака составляет 30-50 Кл. В каждом разряде молнии переносится от 1 до 10 Кл электричества. Наряду с наиболее распространенной линейной молнией иногда встречаются ракетообразная, четочная и шаровая молнии. На Земле ежесекундно наблюдается в среднем около 100 разрядов линейной молнии. Средняя мощность, которая затрачивается в масштабе всей Земли на образование гроз, равняется 1018 эрг/сек.

Молния — колоссальный электрический разряд, способный нанести повреждения строению, вызвать пожар и привести к поражению электрическим током людей.

Воздействие тока молнии возможно трех типов:

- прямой удар при разряде молнии в объект с сильным тепловым и механическим воздействием;

- вторичное воздействие разряда с появлением магнитного поля, индуцируемого в контурах в виде протяженных металлических устройств – трубопроводах, электропроводки и т. п., которое вызывает искрение, что опасно для помещений где образовываются опасные концентрации взрывоопасных веществ;

- занос высоких потенциалов по любым металлоконструкциям: эстакадам, ЛЭП, трубопроводам, что может явиться причиной взрывов и пожаров.

При прямом разряде молнии в здание или сооружение может произойти его механическое или термическое разрушение. Последнее проявляется в виде плавления или даже испарения материалов конструкции.

Вторичное воздействие разряда молнии заключается в наведении в замкнутых токопроводящих контурах (трубопроводах, электропроводках и др.), расположенных внутри зданий, электрических токов. Эти токи могут вызвать искрение или нагрев металлических конструкций, что может стать причиной возникновения пожара или взрыва в помещениях, где используются горючие или взрывоопасные вещества.

К аналогичным последствиям может привести и занос высоких потенциалов (напряжения) по любым металлоконструкциям, находящимся внутри зданий и сооружений, под действием молнии.

Для приема электрического разряда молнии (тока молнии) служат устройства - молниеотводы, состоящие из несущей части (например, опоры), молниеприемника (металлический стержень, трос или сетка токоотвода) и заземлителя. Различают стержневые и тросовые молниеотводы. Защитное действие молниеотвода основано на свойстве молнии с большей вероятностью поражать более высокие и хорошо заземленные предметы по сравнению с расположенными рядом объектами меньшей высоты. Поэтому на молниеотвод, возвышающийся над защищаемым объектом, возлагается функция перехвата молний, которые в отсутствие молниеотвода поразили бы объект. Количественно защитное действие молниеотвода определяется через вероятность прорыва - отношение числа ударов молнии в защищенный объект (числа прорывов) к общему числу ударов в молниеотвод и объект.

Молниеотводы характеризуются зоной защиты, которая определяется как часть пространства, защищенного от удара молнии с определенной степенью надежности. В зависимости от степени надежности зоны защиты могут быть двух типов - А и Б. Тип зоны защиты выбирают в зависимости от ожидаемого количества поражений молнией зданий и сооружений в год (N). Если величина N > 1, то принимают зону защиты типа А (степень надежности защиты в этом случае составляет не менее 99,5%). При N< 1 принимают зону защиты типа Б (степень надежности этой защиты - 45% и выше).

Каждый молниеотвод в зависимости от его конструкции и высоты имеет определенную зону защиты, внутри которой объекты не подвержены прямым ударам молнии. Согласно РД 34.21.122-87 все здания и сооружения должны иметь защиту по одной из трех категорий (приложение А). Категория молниезащиты зависит от пожаро-взрывоопасных свойств помещений и зданий, которая определяется в соответствии с данными таблицы 1, а также от тяжести опасных последствий ударов молнии (экологический ущерб, людские потери, материальные потери и др.).

2 Практическая часть

Задание. Произвести расчет молниезащиты здания ж/д вокзала, расположенной в г.Чита. Размеры здания: длина l=80 м, ширина b=40 м., высота h_зд = 15 м. Грунт имеет сопротивление р < 50 Ом-м.

Решение.

1.Определяем категорию молниезащиты заданного объекта по данным раздела таблицы 1.

Таблица 1 - Типы зон и категории устройств молниезащиты зданий и

сооружений

Наружные технологические установки и открытые склады, относимые по ПЭУ к классу В-Iг

По всей территории РФ

Зона Б

Категория молниезащиты II, зона защиты Б.

2. Определяем конструкцию молниеотвода в зависимости от параметров защищаемого объекта. Анализ типов молниеотводов показывает, что в нашем случае подходит тросовый молниеотвод.

3. Определяем высоту молниеприемника для создания необходимой зоны защиты. Ориентировочно, в первом приближении высоту молниеприемника можно определить по формуле приведенной в таблице 2.

Таблица 2 - Зоны защиты молниеотводов

Одиночный тросовый молниеотвод высотой h ≤ 150 м с опорами, отстоящими одна от другой на расстоянии а, м
Высота зоны защиты h₀ над землей , м	h₀= 0,85 h	h₀= 0,92 h
Радиус торцевых областей зоны защиты r₀ на уровне земли, м	r₀= (1,35-0,0025h)h	r₀= 1,7h
Ширина зоны защиты на участке между опорами S₀ на уровне земли, м	S₀= 2r₀	S₀= 2r₀
Радиус торцевых областей зоны защиты r_х на высоте h_x над землей, м	r_х= (1,35-0,0025h)(h-h_x/0,85)	r_х= 1,7(h-h_x/0,92)
Ширина зоны защиты на участке между опорами S_х на высоте h_x над землей, м	S_х= 2r_х	S_х= 2r_х

hор = h = (rx + 1,8hх)/1,7

Зададимся: hх = 13 м;rх = b/2 = 40/2 = 20м, тогда получим: hор = (20+ 1,8•13)/1,7 = 26м

Т.к. высота молниеотвода h ≤ 150 м, то определяем параметры зоны защиты по формулам таблицы 2. В результате будем иметь:

Высота зоны защиты: h₀= 0,92•h =0,92*26= 24 м

Радиус торцевых областей зоны защиты r₀ на уровне земли: r₀= 1,7h =1,7*26=44м

Ширина зоны защиты на участке между опорами: S₀ = 2r₀= 88 м

Радиус торцевых областей зоны защиты rх на высоте hх над землей:

rх= 1,7(h-h_x/0,92) =1,7*11,48=20 м

Ширина зоны защиты на участке между опорами Sх на высоте hx над землей:

Sх=2rх=2*20=40м

4. Определяем наименьшее допустимое расстояние от заземлителя до других подземных коммуникаций, используя таблицы 3, 4.

Таблица 3 - Наименьшие допустимые расстояния Sв

Sв, м

ρ, Ом м

Вариант конструкции заземлителя.

≤100

1. Заземлитель любой конструкции.

2.Одна железобетонная свая либо подножка или углубленная стойка железобетонной опоры, длина которой составляет не менее 5 метров.

Таблица 4 - Наименьшие допустимые расстояния Sв₁

Sв₁, м	ρ, Ом м	Вариант конструкции заземлителя
3,5	≤100	Заземлитель любой конструкции

Sз доп= Sв доп+ 2 = 5м

Sв доп= 3 м

Sв1 доп= 3,5 м

При монтаже молниеотводов необходимо, чтобы реальные расстояния были больше рассчитанных допустимых значений.

5. Проверяем выполнение неравенства

Sв1 доп › Sв1 р

Для этого необходимо рассчитать реальное расстояние между тросовым молниеприемником и крышей здания c учетом провеса троса. Используем данные, приведенные в таблице 2. Расстояние h от стального троса сечением 35-50 мм² до поверхности земли в точке его наибольшего провеса равно:

h = hор – 2 (при а < 120 м), т.е. h = 26– 2 = 24м

В этом случае расстояние между тросом молниеприемника и крышей равно:

Sв1 р= h – hзд=24 – 15= 9 м

Таким образом, Sв1 р › Sв1 доп, т.е. неравенство выполняется.

6. Определяем норму сопротивления молниезащиты в зависимости от требуемой категории защиты и сопротивления грунта: Rн= 10 Ом.

7.Определяем сопротивление молниезащиты Rзв зависимости от выбранной конструкции и сопротивления грунта, используя данные таблицы 5.

Таблица 5 - Типовые конструкции заземлителей молниезащиты и их сопротивления растекания тока промышленной частоты

Комбинированный

двухстержневой

Уголок: 40x40x4 мм

Полоса: 4x40 мм

С=6 м, L=3 м

Круглая сталь

d=10÷20

Полоса: 4x40 мм

С=3 м, L=5 м

4,5

5,5

9,1

110

Нам подходит заземлитель в виде комбинированного двухстержневого со следующими параметрами: С = 6 м; L = 3 м; глубина заложения l₀ = 0.8 м; Rз= 4,5 Ом.

8. Вычисляем импульсное сопротивление Rи по формуле :

Rи = а·Rз

а = 0.8, тогда: Rи = 0,8·4,5= 3,6 Ом

9. Проверяем выполнение неравенства Rи < Rн:

Rи = 3,6 Ом < Rн= 10 Ом.

10. Выбираем конструкцию молниеотводов по таблице 6.

Таблица 6 - Размеры молниеприемников, токоотводов и электродов заземлителей

№ п/п

Форма и материал молниеприемников,

токоотводов и электродов

Наименьшее

допустимое значение

Молниеприемники

Стержень (для стержневых молниеотводов) из стали

любых марок или другого металла:

длина, мм

площадь сечения, мм²

200

100

Трос (для тросовых молниеотводов) стальной многопроволочный оцинкованный

сечение, мм²

диаметр, мм

Токоотводы

Такой молниеотвод не требует специального токоотвода, так как сам хорошо проводит ток.

Электроды заземлителей

Прутковая сталь диаметром, мм

Полосовая сталь:

площадь сечения, мм²

толщина, мм

160

В нашем случае подходит металлическая решетчатая опора высотой, равной 20 м.

Рисунок 1 – Металлическая решетчатая опора

В качестве молниеприемника принимаем трос стальной многопроволочный оцинкованный сечением 35 мм² и диаметром порядка 7 мм. В качестве токоотводов используем сталь круглого сечения диаметром не менее 6 мм.

11. Схема молниезащиты приведена на рисунке 2.

Рисунок 2 – Эскиз молниеотвода с зоной защиты

Заключение

В данной работе был произведен расчет молниезащиты здания ж/д вокзала, расположенной в г.Чита. Размеры объекта: длина l=80 м, ширина b=40 м, высота h_зд = 15 м. Грунт имеет сопротивление р < 50 Ом-м.

В результате было определено, что категория молниезащиты II, зона защиты Б.

При анализе типов молниеотводов мною был выбран тросовый молниеотвод.

Дальнейшие расчеты показали, что типовой конструкцией заземлителя молниезащиты является комбинированный двухстержневой со следующими параметрами: С = 6 м; L = 3 м; глубина заложения l₀ = 0.8 м; Rз= 4,5 Ом.

При выборе молниеотвода наиболее подходящей конструкцией в данном варианте был выбран металлическая решетчатая опора высотой, равной 20 м.

Рекомендуемая литература

1. ГОСТ 12.1.004-91. Пожарная безопасность. Общие требования.

2. Инструкция по молниезащите зданий и сооружений РД 34.21.122-87 от 30 июля 1987 года (Согласована Госстроем СССР). - М. : Энергоатомиздат, 1995.

3. Инструкция по устройству молниезащиты зданий, сооружений и промышленных коммуникаций СО 153-34.21.122-2003 (утв. приказом Минэнерго РФ от 30 июня 2003 г. N 280).

4. Правила устройства электроустановок (ПУЭ).

5. Курдюмов, В. И., Зотов, Б. И. Проектирование и расчет средств обеспечения безопасности / учеб. пособие. - М. : Колосс, 2005.

6. Михнюк, Т. М. Охрана труда и экологическая безопасность. Задачи и расчеты / учеб. пособие. – Минск : Дизайн, 2004.

7. Черкасов, В. И. Защита пожаро - и взрывоопасных зданий и сооружений от молнии и статического электричества / учеб. пособие. - М. : Стройиздат, 1983.

Содержание

Введение………………………………………………………………………………...3

1.Теоретическая часть………………………………………………………………….5

2. Практическая часть………………………………………………………………….9

Заключение…………………………………………………………………….............15

Список использованной литературы………………………………………..............16