Молниезащита инженерных сооружений. Этапы развития молниезащиты

Содержание:

Введение                                                                                                       2

1. Термины и определения                                                                    3
2. Комплекс средств молниезащиты                                                    5
3. Внешняя молниезащита                                                                    6

3.1.Молниеприемники                                                                            6

3.2.Токоотводы                                                                                        9

3.3.Заземление                                                                                        12

4.Внутренняя молниезащита                                                               14

5. Оборудование для систем молниезащиты                                     16

6.Активные  молниеприемники                                                           18

7.Молниезащита  ЛЭП                                                                           20

8.Примеры исполнения мониезащиты                                               22

9.Список литературы                                                                            25

Введение

Молниезащи́та — это комплекс технических решений и специальных приспособлений для обеспечения безопасности здания, а также имущества и людей находящихся в нем. На земном шаре ежегодно происходит до 16-и миллионов гроз, то есть около 44 тысяч за день. Прямой удар молнии очень опасен для здоровья людей, нередки случаи смертельного исхода. Для зданий и сооружений угрозами вследствие непосредственного контакта канала молнии с поражаемыми объектами являются возможность возгорания либо разрушения, а также повреждение чувствительного оборудования вследствие сопутствующего молнии импульсного электромагнитного поля.

Считается, что  молниеотвод был изобретён Бенджамином  Франклином в 1752 году. Описание первого способа защиты от молний появляется в ежегоднике «Альманах Бедного Ричарда». «Способ этот таков, — писал Франклин. — Возьмите тонкий железный стержень длиною достаточною для того, чтобы три-четыре фута одного конца опустить во влажную землю, а шесть-семь другого поднять над самой высокою частью здания. К верхнему концу стержня прикрепите медную проволоку длиной в фут и толщиной с вязальную спицу, заостренную как игла. Стержень можно прикрепить к стене дома бечевой (шнуром). На высоком доме или амбаре можно поставить два стержня, по одному на каждом конце, и соединить их протянутой под коньками крыши проволокой. Дому, защищенному таким устройством, молния не страшна, так как острие будет притягивать ее к себе и отводить по металлическому стержню в землю, и она уже никому не причинит вреда. Точно так же и суда, на верхушке мачты которых будет прикреплено острие с проволокой, спускающейся вниз на палубу, а затем по одному из вантов и обшивке в воду, будут предохранены от молнии».

1. Термины и определения

Удар  молнии в землю – электрический разряд атмосферного происхождения между грозовым облаком и землей, состоящий из одного или нескольких импульсов тока.

Точка поражения – точка, в которой молния соприкасается с землей, зданием или устройством молниезащиты. Удар молнии может иметь несколько точек поражения.

Защищаемый  объект – здание или сооружение, их часть или пространство, для которых выполнена молниезащита, отвечающая требованиям нормативов.

Устройство  молниезащиты – система, позволяющая защитить здание или сооружение от воздействий молнии. Она включает в себя внешние (снаружи здания или сооружения) и внутренние (внутри здания или сооружения) устройства. В частных случаях молниезащита может содержать только внешние или только внутренние устройства.

Устройства  защиты от прямых ударов молнии (молниеотводы) – комплекс, состоящий из молниеприемников, токоотводов и заземлителей.

Молниеприемник – часть молниеотвода, предназначенная для перехвата молний.

Токоотвод – часть молниеотвода, предназначенная для отвода тока молнии от молниеприемника к заземлителю.

Заземлитель – проводящая часть или совокупность соединенных между собой проводящих частей, находящихся в электрическом контакте с землей непосредственно или через промежуточную проводящую среду.

Отдельно  стоящий молниеотвод – молниеотвод, молниеприемники и токоотводы которого расположены таким образом, чтобы путь тока молнии не имел контакта с защищаемым объектом.

Молниеотвод, установленный на защищаемом объекте – молниеотвод, молниеприемники и токоотводы которого расположены таким образом, что часть тока молнии может растекаться через защищаемый объект или его заземлитель.

Зона  защиты молниеотвода – пространство в окрестности молниеотвода заданной геометрии, отличающееся тем, что вероятность удара молнии в объект, целиком размещенный в его объеме, не превышает заданной величины.

2.Комплекс средств молниезащиты

Комплекс средств  молниезащиты зданий и сооружений включает в себя устройства защиты от ПУМ [внешняя  молниезащитная система (МЗС) и устройства защиты от вторичных воздействий молнии (внутренняя МЗС). В частных случаях молниезащита может содержать только внешние или только внутренние устройства. В общем случае часть токов молнии протекает по элементам внутренней молниезащиты.

Внешняя МЗС может быть изолирована от сооружения (отдельно стоящие молниеотводы – стержневые или тросовые, а также соседние сооружения, выполняющие функции естественных молниеотводов), или может быть установлена на защищаемом сооружении и даже быть его частью. Внутренние устройства молниезащиты предназначены для ограничения электромагнитных воздействий тока молнии и предотвращения искрений внутри защищаемого объекта. Токи молнии, попадающие в молниеприемники, отводятся в заземлитель через систему токоотводов и растекаются в земле.

3.Внешняя молниезащита .

Внешняя молниезащита представляет собой систему, обеспечивающую перехват молнии и отвод её в землю, тем самым, защищая здание (сооружение) от повреждения и пожара. В момент прямого удара молнии в строительный объект правильно спроектированное и сооруженное молниезащитное устройство должно принять на себя ток молнии и отвести его по токоотводам на заземление. Прохождение тока молнии должно произойти без ущерба для защищаемого объекта и быть безопасным для людей, находящихся как внутри, так и снаружи этого объекта.

3.1Молниеприемники.

Система молниезащиты состоит из молниеприемной части, токоотводов и системы заземления. Молниеприемное устройство должно защищать те части объекта, которые подвержены опасности удара молнии. Это в первую очередь касается коньков, углов, краев и ребер кровли зданий и элементов, выступающих над кровлей (каминные трубы, антенны). При строительстве и реконструкции для каждого класса объектов требуется определить необходимые уровни надежности защиты от прямых ударов молнии (ПУМ). Например, для обычных объектов может быть предложено четыре уровня надежности защиты, указанные в (табл.1)

Табл. 1  Уровни надежности защиты.

 Для специальных  объектов минимально доступный  уровень надежности защиты от  ПУМ устанавливается в пределах 0,9 – 0,999 в зависимости от степени его общественной значимости и тяжести ожидаемых последствий от прямого удара молнии. Молниеприемная часть может состоять из вертикальных молниеприемников, горизонтальных молниеприемников, молниеприемных выпусков, молниеприемной сетки естественных молниеприемников или комбинации данных элементов.

Следующие конструктивные элементы зданий и сооружений могут  рассматриваться как естественные молниеприемники:

а) металлические  кровли защищаемых объектов при условии, что:

●электрическая непрерывность между разными частями обеспечена на долгий срок;

●толщина металла кровли составляет не менее значения t, приведенного в ниже представленной (таблице 2), если необходимо предохранить кровлю от повреждения или прожога;

●толщина металла кровли составляет не менее 0,5 мм, если ее необязательно защищать от повреждений ,и нет опасности воспламенения находящихся под кровлей горючих материалов;

●кровля не имеет изоляционного покрытия. При этом небольшой слой антикоррозионной краски или слой 0,5 мм асфальтового покрытия, или слой 1 мм пластикового покрытия не считается изоляцией;

Табл.2 Толщина кровли, трубы или корпуса резервуара, выполняющих функции естественного молниеприемника:

б) металлические  конструкции крыши (фермы, соединенная  между собой стальная арматура);

в) металлические  элементы типа водосточных труб, украшений, ограждений по краю крыши и т.п., если их сечение не меньше значений, предписанных для обычных молниеприемников;

          г) технологические металлические  трубы и резервуары, если они  выполнены из металла толщиной не менее 2,5 мм и проплавление или прожог этого металла не приведут к опасным или недопустимым последствиям;

          д) металлические трубы и резервуары, если они выполнены из металла толщиной не менее значения /, приведенного в таблице, и если повышение температуры с внутренней стороны объекта в точке удара молнии не представляет опасности.

          Ниже приводятся правила определения зон защиты для объектов высотой до 60 м (табл.3), изложенных в стандарте МЭК (IEC 61024-1-1). При проектировании может быть выбран любой способ защиты, однако практика показывает целесообразность использования отдельных методов в следующих случаях:

●метод защитного угла используется для простых по форме сооружений или для маленьких частей больших сооружений;

●метод фиктивной сферы – для сооружений сложной формы;

●применение защитной сетки целесообразно в общем случае и особенно для защиты поверхностей.

          В ниже приведенной таблице  для уровней защиты I – IV приводятся  значения углов при вершине зоны защиты, радиусы фиктивной сферы, а также предельно допустимый шаг ячейки сетки.

Табл.3. Параметры для расчета молниеприемников по рекомендациям МЭК.

          Стержневые молниеприемники, мачты  и тросы размещаются так, чтобы все части сооружения находились в зоне защиты, образованной под углом а к вертикали. Защитный угол выбирается по таблице, причем h является высотой молниеотвода над поверхностью, которая будет защищена. Метод защитного угла не используется, если h больше, чем радиус фиктивной сферы, определенный в таблице для соответствующего уровня защиты.

* В этих случаях  применимы только сетки или  фиктивные сферы.

3.2.Токоотводы

В целях снижения вероятности возникновения опасного искрения токоотводы располагаются таким образом, чтобы между точкой поражения и землей:

а) ток растекался по нескольким параллельным путям;

б) длина этих путей была ограничена до минимума.

Расположение  токоотводов в устройствах молниезащиты, изолированных от защищаемого объекта. Если молниеприемник состоит из стержней, установленных на отдельно стоящих опорах (или одной опоре), на каждой опоре предусматривается не менее одного токоотвода. Если молниеприемник состоит из отдельно стоящих горизонтальных проводов (тросов) или из одного провода (троса), на каждом конце провода (троса) выполняется не менее одного токоотвода. Если молниеприемник представляет собой сетчатую конструкцию, подвешенную над защищаемым объектом, на каждой ее опоре выполняется не менее одного токоотвода. Общее количество токоотводов принимается не менее двух. Расположение токоотводов при неизолированных устройствах молниезащиты. Токоотводы располагаются по периметру защищаемого объекта таким образом, чтобы среднее расстояние между ними было не меньше значений, приведенных в (таблице 4).

Табл.4. Средние расстояния между токоотводами в зависимости от уровня защищенности

Токоотводы  соединяются горизонтальными поясами  вблизи поверхности земли и через  каждые 20 м по высоте здания. Желательно, чтобы Токоотводы равномерно располагались по периметру защищаемого объекта. По возможности они прокладываются вблизи углов зданий. Не изолированные от защищаемого объекта Токоотводы прокладываются следующим образом:

●если стена выполнена из негорючего материала, токоотводы могут быть закреплены на поверхности, стены или проходить в стене;

          ●если стена выполнена из горючего материала, токоотводы могут быть закреплены непосредственно на поверхности стены, так чтобы повышение температуры при протекании тока молнии не представляло опасности для материала стены;

          ●если стена выполнена из горючего материала и повышение температуры токоотводов представляет для него опасность, токоотводы располагаются таким образом, чтобы расстояние между ними и защищаемым объектом всегда превышало 0,1 м. Металлические скобы для крепления токоотводов могут быть в контакте со стеной.

          ●Не следует прокладывать токоотводы в водосточных трубах. Рекомендуется размещать токоотводы на максимально возможных расстояниях от дверей и окон.

Токоотводы  прокладываются по прямым и вертикальным линиям, так чтобы путь до земли  был по возможности кратчайшим. Не рекомендуется прокладка токоотводов  в виде петель.

          Следующие конструктивные элементы зданий могут считаться естественными токоотводами:

          а) металлические конструкции  при условии, что:

электрическая непрерывность между разными  элементами является долговечной и соответствует требованиям; они имеют не меньшие размеры, чем требуются для специально предусмотренных токоотводов;

          Металлические конструкции могут  иметь изоляционное покрытие.

          б) металлический каркас здания или сооружения;

          в) соединенная между собой стальная арматура здания или сооружения;

          г) части фасада, профилированные элементы и опорные металлические конструкции фасада при условии, что:

          - их размеры соответствуют указаниям,  относящимся к токоотводам, а  их толщина составляет не менее  0,5 мм;

          - металлическая арматура железобетонных строений считается обеспечивающей электрическую непрерывность, если она удовлетворяет следующим условиям:

          - примерно 50 % соединений вертикальных  и горизонтальных стержней выполнены  сваркой или имеют жесткую  связь (болтовое крепление, вязка проволокой);

          - электрическая непрерывность обеспечена  между стальной арматурой различных  заранее заготовленных бетонных  блоков и арматурой бетонных  блоков, подготовленных на месте. В прокладке горизонтальных поясов нет необходимости, если металлические каркасы здания или стальная арматура железобетона используются как токоотводы.

3.3.Заземление

От того, насколько  правильно и качественно будет  выполнено заземление зависит эффективность  всей молниезащитной системы во всех случаях, за исключением использования отдельно стоящего молниеотвода, заземлитель молниезащиты следует совместить с заземлителями электроустановок и средств связи. Если эти заземлители должны быть разделены по каким-либо технологическим соображениям, их следует объединить в общую систему с помощью системы уравнивания потенциалов. Сопротивление заземления системы молниезащиты не должно превышать 10 Ом. В случае совмещенного заземления величина сопротивления должна соответствовать требованиям ПУЭ гл. 1.7. В этом случае, сопротивление меньше 10 Ом, потребуется для сетей с изолированной нейтралью - меньше 4 Ом, при наличии в здании трансформаторной подстанции - меньше 0,5 Ом. Сечение проводников должны соответствовать требованиям технического формуляра "О заземляющих электродах и заземляющих проводниках" Ассоциации «Росэлектромонтаж» № 11/2006 г.

Наиболее предпочтительным является выполнение заземляющего устройства в виде контура, проложенного по периметру здания на расстоянии не менее 1 м от фундамента и на глубине не менее 0,5 - 0,8 м с установкой вертикальных заземлителей в местах спуска токоотводов.

Такое исполнение заземляющего устройства дает ряд преимуществ:

- замкнутый  контур значительно снижает риск поражения человека в результате возникновения «шагового» напряжения;

- токоотводы  молниезащиты, опущенные на обычный  контур, имеют одинаковое сопротивление заземления, что обеспечивает равномерное распределение тока молнии между токоотводами;

- изменением  длины или количества вертикальных  заземлителей достигается практически любое сопротивление заземления.

В случае невозможности, по каким либо причинам, прокладки  контура заземления используют очаговые заземлители, выполненные с использованием вертикальных заземлителей по любому из известных способов заземления – треугольником, лапой и т.п.При любом исполнении заземляющего устройства с использованием вертикальных заземлителей необходимо принимать во внимание эффект взаимного экранирования заземлителей, который сказывается в том, что общее сопротивление заземления уменьшается не пропорционально по числу заземлителей, соединенных параллельно, а несколько меньше. Экранирование начинает проявляться при расстоянии между вертикальными заземлителями около 7 м. проявляется тем больше, чем ближе друг к другу будут расположены единичные заземлители. При расстоянии равным 1,7 м. эффект экранирования становится практически полным и дальнейшее сближение единичных заземлителей становится бессмысленным. В качестве естественного заземления может использоваться соединенная между собой арматура железобетонного фундамента или иные подземные металлические конструкции, отвечающие требованиям, аналогичным предъявленным к естественным токоотводам. Если арматура железобетона используется как заземляющие электроды, повышенные требования предъявляются к местам соединений, чтобы исключить механическое разрушение бетона. Если используется преднапряженный бетон, следует учесть возможные последствия протекания тока молнии, который может вызвать недопустимые механические нагрузки. Заземляющее устройство выполняется с учетом подземных коммуникаций. Если верхние отметки (кабельные каналы, трубопроводы и т.п.) расположены на глубине менее 0,5 м от поверхности земли, то горизонтальный заземлитель должен быть расположен под каналом. Заземлители, прокладываемые параллельно кабелям или трубопроводам следует укладывать на расстоянии в свету не менее 0,3 – 0,35 м., а при пересечении не менее 0,1 м.Допускается, в местах прохода людей, замыкание контура заземления изолированным проводником, при этом длина изолированного проводника не должна превышать 30% от длины контура. Горизонтальный заземлитель из полосовой стали укладывается на дно траншеи, на ребро.

4.Внутренняя молниезащита

Задача внутренней молниезащиты состоит в парировании побочных воздействий молниевых разрядов — таких как электромагнитные наводки и перенапряжения, способные вывести из строя электрическую и электронную аппаратуру. Внутренняя система состоит из шины выравнивания потенциалов, которая объединяет все протяженные металлоконструкции дома, и устройств защиты от импульсных перенапряжений (УЗИП), задача которых заключается в нейтрализации импульса перенапряжения, попадающего в ваш дом по линиям электропередач или системам коммуникаций, таким образом защищая все электроприборы в доме и всю электропроводку от любого вида импульсного перенапряжения. УЗИП в зависимости от назначения и места расположения подразделяются на три класса (табл.5).

Табл.5. Классы и назначения УЗИП для электрических цепей

         Впрочем, положение первой и  второй ступеней варьируется  в зависимости от конкретной  ситуации. Иногда их размещают  вместе в отдельном шкафу, а в некоторых случаях совмещают (для этого есть специальные УЗИП I/II класса).

          Для третьей ступени важно,  чтобы расстояние по кабелю  питания от УЗИП до оборудования  не превышало 10–15 м. Поэтому  приборы III класса часто изготавливают  в виде розеток, переходников и т. п.

          Основные принципы уравнивания  потенциалов содержатся в нормах  молниезащиты строительных объектов. В соответствии с этими принципами следует уравнивать потенциалы всех проводящих инсталляций входящих в объект. Уравнивание потенциалов следует выполнить при помощи  соединений с низким импедансом:

          Непосредственных – между проводящими  инсталляциями и устройствами, на которых не возникает постоянно электрический потенциал.

          Ограничивающих – между устройствами, заземленными и изолированными от земли, а также находящимися под напряжением проводами электрических устройств. Принимая во внимание представленные требования, рекомендуется, вводя инсталляции в строительный объект, соединять их с уравнивающей шиной, произвольным элементом молниезащитного устройства или металлическим элементом конструкции объекта в месте, расположенным как можно ближе к месту введения инсталляции. Оптимальным решением является введение всех инсталляций в одном общем месте. К уравнивающей шине следует непосредственно присоединить:

- металлические  трубы,

          - телекоммуникационные, вспомогательные,  и измерительные заземляющие электроды,

          - экраны или проводящие конструктивные  элементы линии передачи сигналов,

          - проводники PEN или PE электроэнергетической сети.

          Если внешние инсталляции, линии  электропитания, телекоммуникационные и сигнальные линии нельзя ввести в объект в одном и том же месте и требуется применение нескольких уравнивающих шин, то они должны быть соединены как можно более коротким проводником с заземлителем или металлическими элементами железобетонной конструкции объекта. Проводник, соединяющий уравнивающие шины, следует соединить с проводящими элементами железобетонной конструкции или другими экранирующими элементами. Уравнивающая шина размещается чаще всего на уровне земли, как можно ближе к месту, в которое входят проводящие инсталляции и соединена с заземлителем, напр., с фундаментным. К шине следует также присоединить существующие в объекте  металлические части лифтовых конструкций, вентиляционные каналы и т.п.

5.Оборудование для систем молниезащиты

На оборудование для систем молниезащиты накладывается  ряд обязательных требований ,как по сечению проводников так и по сроку службы при использовании преимущественно следующих материалов: оцинкованная сталь, нержавеющая сталь, медь, алюминий. Срок службы систем молниезащиты должен быть не менее 25-30 лет. Материал и сечения проводников должны удовлетворять требования следующей (таблице 6). Сечения проводников для системы выравнивания потенциалов (табл.7). Совместимость  материалов (табл.8).

Табл.6. Материал и минимальные сечения элементов внешней МЗС

Табл.7 Сечения проводников для системы выравнивания потенциалов

Табл.8 Совместимость материалов

Комбинации материалов: + рекомендуется, О допускается, - не рекомендуется.

          В случае необходимости выполнения  соединения между двумя различными материалами, применение которых не рекомендуется необходимо использовать биметаллические соединители. Для компенсации негативных последствий температурного расширения проводников, которое составляет при изменение температуры на ∆ Т = 100 °С для алюминия ∆ L = 2,35 мм/м, меди ∆ L = 1,7 мм/м, нержавеющей стали ∆ L = 1,6 мм/м, стали ∆ L = 1,15 мм/м, необходима установка термокомпенсаторов через каждые 20 м. длины проводников.