Розрахунок блискавкозахисту обэктив

3.5 РОЗРАХУНОК БЛИСКАВКОЗАХИСТУ ОБ’ЄКТІВ

     3.5.1 Загальні відомості

     Блискавкозахистом називається комплекс захисних пристроїв, які призначені для забезпечення безпеки людей, захисту будівель і споруд, приладів та матеріалів від вибухів, загорянь і руйнування. Для сприймання електричного розряду блискавок і відводу струмів блискавки в землю служать спеціальні пристрої – блискавковідводи. Блискавковідводи складаються із несучої частини (опори); блискавкоприймача, який безпосередньо сприймає удари блискавки; струмовідводу (спуску), що з’єднує блискавкоприймач з заземлювачем і заземлювача для відводу струму в землю.

     Блискавковідводи  поділяють на стрижневі, тросові  і сітчасті. По кількості діючих блискавкоприймачів їх поділяють на одиночні, подвійні і многократні (три і більше).

     Захисна дія блискавковідводів заснована  на властивості блискавки вражати  найбільш високі і добре заземлені  металеві споруди. Завдяки цьому  більш низькі за висотою будинки, яки входять у зону захисту  даного блискавковідводу, не будуть уражені блискавкою.   
 

     3.5.2 Порядок обґрунтування і розрахунку блискавкозахисту

     1. Визначають очікувану на рік кількість уражень блискавкою будівель, не обладнаних блискавкозахистом за формулою:

               N=    ,                               (3.18)

     де  В і А - відповідно ширина і довжина будівлі, що має в площі прямокутну форму, м;

     Н_М - найбільша висота будівлі (споруди), м;

     n – середньорічна кількість ударів  блискавки на 1 км² земної поверхні в місці розташування будівлі (табл. 3.19).

     Середньорічна кількість ударів блискавки на 1 км² земної поверхні (n) залежіть від інтенсивності грозової діяльності К (табл. 3.20). 

     2. Встановлюється категорія захисту  об’єкта. (табл. 3.21).

     В залежності від характеру необхідних заходів по блискавкозахисту, всі  будинки і споруди поділяються на три категорії. До І категорії відносяться промислові будинки і споруди з вибухонебезпечними зонами класів В-І і В-ІІ, розташовані на всій території України. До ІІ категорії відносяться промислові будинки і споруди класів В-Іа, В-Іб і В-ІІа, розташовані у місцевості з середньою грозовою діяльністю К, рівною десяти і більше годинам на рік. До ІІІ категорії відносяться інші виробничі, сільськогосподарські, житлові і суспільні будинки, споруди та склади, об’єкти класів П-І, П-ІІ, П-ІІа.

     Блискавкозахист І і ІІ категорії передбачає захист будівель і споруд від прямих влучень блискавок, від електростатичної і електромагнітної індукції  і заносу високих потенціалів через надземні і підземні металічні конструкції і комунікації. 

     3. Обирається тип і конструкції блискавковідводів.

     Для об’єктів з блискавкозахистом І  категорії блискавковідводи на спорудах не встановлюються, а стрижневий блискавковідвід  повинен мати діелектричний стояк (частину його) висотою, не менше 8 м над спорудою, при опорі заземлення не більше 10 Ом.

     Відстань  струмовода від споруд повинна бути не менше 8 м.

     Допустима відстань від стрижневого блискавковідводу або від тросового стояка до споруди - не менше 4 м. При цьому висота троса над спорудою приймається в межах 3-7 м (при висоті тросового стояка від 65 до 150 м відповідно). Слід також враховувати і прогин тросу.

     Захист  від прямого удару блискавки  будівель та споруд, які відносяться  до ІІ та ІІІ категорій, може бути здійснений або за допомогою окремих неізольованих стрижневих та тросових блискавковідводів, що встановлюються на будівлях (відстань від них до будівлі не нормується), або ж шляхом заземлення металевої покрівлі, чи влаштуванням блискавкоприймача з металевої сітки із сталевого дроту діаметром 6-8 мм. (з чарункою 6 х 6 м., та 12 х 12 м. для ІІ і ІІІ категорій відповідно). 

     4. Визначається зона захисту блискавковідводу.

     Зона  захисту блискавковідводу – це частина  простору, у середині якого будівля або споруда захищена від прямих ударів блискавок з певним ступенем надійності.

     Зона  захисту типу А володіє ступенем надійності 99,5% і вище, а зона захисту типа Б – 95% і вище.

     Для об’єктів, які відносяться до І категорії блискавкозахисту, передбачають блискавковідводи із зонами захисту тільки типу А. 
 

     Зона  захисту для одиночного стрижневого блискавковідводу показана на рис. 3.9.

Рис. 3.9. Зони захисту А і Б одинарного стрижневого блискавковідводу:

Нх  – висота об’єкту (будинку); Rx – радіус кола горизонтального  перетину на висоті Нх; Н – висота блискавковідводу

     Зона  захисту являє собою круговий конус висотою  Н₀ з радіусом основи R₀ . Для зони А – вужче і нижче, для зони Б – ширше і вище (при одній і тій же висоті блискавковідводу Н) .

     Співвідношення, що характеризують зони А і Б у одиночного стрижневого блискавковідводу висотою Н<150 м наступні: 

     Зона  А

     Вершина зони Н₀ = 0,85 Н.

     Радіус  кола на рівні землі R₀ = (1,1–0,002Н)Н.

     Радіус Rх кола горизонтального перетину зони захисту на висоті Нх дорівнює:

     Rх  =(1,1–0,002Н)(Н – Нх/0,85) .                                                             (3.19) 

     Зона  Б

     Н₀ = 0,92 Н.

     R₀ =1,5Н.

     Rх  =1,5(Н – Нх/0,92) .                                                                             (3.20)

     Знаючи висоту блискавкоприймача Н, можна визначити габарити зони захисту, або, знаючи Нх – висоту будинку, і Rх, можна визначити висоту блискавковідводу. 

     Для зони А з рівняння (3.19):

                           Н_1,2= ,                                           (3.21)

     де  в=1,1+0,00235 Нх; с = Rх+1,294 Нх.

     З двох коренів Н приймаємо той, що має логічне значення. 

     Для зони Б з рівняння (3.20) :

                            Н=

     Побудова  зони захисту Б одинарного стрижневого  блискавковідводу висотою Н<150 м. (рис. 3.10) виконується наступним чином.

     Від основи блискавковідводу (точка О) у протилежні боки відкладаються два відрізки ОА і ОВ, які дорівнюють 1,5 Н, на блискавковідводі відкладається відрізок ОС = 0,92Н. Точки А і В з’єднують з точкою С. Конус АСВ з вершиною в точці С і утворюючими АС і ВС, радіусом основи R₀ і є зона захисту, яку забезпечує даний блискавковідвід.

Рис. 3.10. Зона захисту одинарного блискавковідводу

     Для визначення величині радіуса захисту Rх на будь якій висоті Нх зони захисту використовується формула (3.20):

Rх =1,5

     Зона  захисту двох стрижневих блискавковідводів  однакової висоти при Н<150 м, зображена на рис. 3.11.

Рис. 3.11. Зона захисту подвійного стрижневого блискавковідводу при L> Н

     Величина  Нх приймається рівною висоті споруди, а Rх – з розрахунку перекривання зоною захисту половини споруди на рівні його висоти Нх.

     Два стрижневі блискавковідводи доцільно застосовувати при розмірах споруди в плані в межах від 1:1,5 до 1:3. Блискавковідводи розташовуються в торцях споруди.

     Розміри зони захисту між блискавковідводами (Нс, Rс, Rсх, Rсо) визначають наступним чином: 

     Зона  А:

     а)   При L< Н ,             Нс = Но;   Rсх = Rх;  Rсо = Rо   ;                        (3.23)

     б)   При Н < L < 2Н ,      Нс = Но - (0,17+3·10^{- 4}Н)( L -Н);                       (3.24)

                              Rсх=   ;                                           (3.25)

                              Rс = Rо   ;                                                         (3.26)

     в)   При 2Н < L < 4Н,

                         Нс = Но - (0,17+3·10^{- 4}Н)( L -Н);                               (3.27)

                               Rсх = ;                                           (3.28)

                             Rс = Rо ,                                    (3.29)

     де  L – відстань між блискавковідводами. 

     Зона  Б:

     а)   При L< Н ,             

                                 Нс = Но;   Rсх = Rх;  Rсо = Rо ;                        (3.30)

     б)   При Н < L < 6Н,       

                       Нс = Но - 0,14( L -Н);                                                  (3.31)

                                Rсх = ;                                         (3.32)

                               Rсо = Rо .                                                (3.33) 
 

    Зона  захисту одинарного тросового блискавковідводу висотою Н<150 м  зображена на рис. 3.12,  де Н – висота троса в точці найбільшого провисання. З врахуванням стріли провисання висота опори Ноп = Н+3м при L = 120-150м, або Ноп = Н+2м при L = 120м.

Рис. 3.12. Зона захисту одинарного тросового блискавковідводу

     Одинарний тросовий блискавковідвід доцільно застосовувати при співвідношенні сторін споруди більше, ніж 1:3.

     Зона  захисту одинарних тросових блискавковідводів має габарити: 

     Зона  А:

     Но=0,85Н;

     Rо=(1,35 – 0,0025Н)Н;

     Rх=(1,35–0,0025Н) .                                                             (3.34)

     При розрахунках зони захисту підбирають висоту  Н, або значення Нх та Rх  приймаються як відомі. При цьому Rх, як і у випадку з одинарним стрижневим блискавковідводом, визначається графічно, виходячи з перекривання споруди на рівні її висоти Нх. Знаючі Нх та Rх, можемо знайти Н, розв’язуючі квадратне рівняння:

                            Н_1,2= ,                                            (3.35)

     де  в=1,35+0,00294 Нх; с = 1,59Нх +Rх.

     З двох коренів Н обирається той, чиє  значення логічне.

     Для об’єктів першої категорії блискавкозахисту при визначенні величини Н враховується мінімальна висота тросу над спорудою. 

     Зона  Б:

     Но=0,92Н;

     Rо=1,7 Н;

                            Rх=1,7     .                                           (3.36)

     При відомих величинах Нх та Rх висота Н для зони Б може бути визначена  за формулою:

                           Н=

     3.5.3 Вибір і розрахунок заземлювачів блискавковідводів

     Заземлюючий пристрій блискавковідводів можна  розраховувати за методикою, викладеною в прикладі 3.3 даного посібника чи підібрати за табл. 3.22, виходячи з питомого опору ґрунту і необхідних допустимих імпульсних опорів Rи в наступній послідовності.

     1. За табл. 3.23 визначається величина імпульсного опору заземлювача Rи в залежності від категорійності захищаємого об’єкту і питомого опору ґрунту.

     2. За табл. 3.24 знаходимо величину опору розтіканню струму промислової частоти заземлювача R₅₀ в залежності від величини Rи і питомого опору ґрунту.

     3. За табл. 3.22 обираємо форму заземлювача, який має опір розтікання струму, близький до шуканого R₅₀. 
 

     Приклад 3.7

     Розрахувати і побудувати блискавкозахист димової труби, яка має висоту Нтр =25 м, зовнішній діаметр її верхнього отвору Дв = 1 м, зовнішній діаметр нижнього отвору Дн = 2 м, розташованої в місцевості з середньорічною тривалістю гроз від 40 до 60 год. Питомий опор ґрунту ρ = 0,8 · 10⁴ Ом·см. 

     Розв’язок

     1. Визначаємо очікувану кількість  влучень блискавкою в рік за  формулою (3.18); значення n беремо із табл. 3.19 (n=4).

     N= =0,093 рази на рік,

     оскільки  А=В= Дв. 

     2. Встановлюємо категорію блискавкозахисту  і тип зони захисту.

     Із  табл. 3.21 випливає, що димова труба висотою Д більше 15 м у місцевості з середньорічною тривалістю гроз понад 20 год/рік, відноситься до ІІІ категорії блискавкозахисту. Тип зони захисту – зона Б. 

     3. Обираємо одиночний стрижневий  блискавковідвід і визначаємо  його висоту за формулою (3.22):

     Н= м.,

     оскільки Rх = Дн/2 =1м.

     Висота  блискавкоприймача Нм дорівнює:

     Нм= Н–Нтр =27,8–25=2,8 м.

     Перетин сталевого блискавкоприймача і перетин струмовідводу приймаємо рівним 100 мм². 

     4. Побудову зони блискавкозахисту  виконуємо за такою послідовністю.  Через блискавкоприймач проводимо  осьову лінію, на якій відкладаємо  відрізок ОА=0,92 Н=25,6м. Від основи  труби (точка О) відкладаємо  відрізки  ОВ і ОВ₁ рівні 1,5Н=39,5 м. Точку А з’єднуємо з точками В і В₁. Отримуємо зону захисту димової труби у вигляді конусу з основою ВВ₁ і утворюючими АВ і АВ₁. 

     5. Заземлюючий пристрій обираємо  за табл. 3.22, керуючись наступним.

     Для ІІІ категорії блискавкозахисту і ρ = 0,8 · 10⁴ Ом·см, припустимий імпульсний опір Rі не більше 20 Ом (див. табл. 3.23). Із табл.. 3.24 знаходимо величину опору розтікання струму промислової частоти заземлювача R₅₀ для ґрунту з питомим опором  ρ = 0,8 · 10⁴ Ом · см. Він дорівнює 14 Ом.  

Рис. 3.13. Побудова зони захисту блискавковідводу

     Потім за табл. 3.22 обираємо форму заземлювача, який має опір, близький до шуканого. Таким опором володіє заземлювач з порядковим номером 5, а саме: заземлювач двохстрижневий із труби діаметром 50 мм, заглиблений на 0,8 м. Висота електродів L = 2,5м, відстань між ними С = 3 м. 
 

     Приклад 3.8

     Розрахувати і побудувати блискавкозахист виробничого  приміщення, яке відноситься за ПУЕ до класу В-І і має розміри: довжину А = 50 м, ширину В = 20м і висоту h = 10 м. Будинок розташований у Кіровоградській області. Питомий опір ґрунту ρ = 1,8 · 10⁴ Ом · см.  

     Розв’язок

     1. Із табл. 3.20 знаходимо середньорічну грозову діяльність К = 60-80 год. 

     2. Із табл. 3.19 визначаємо очікувану середньорічну кількість ударів блискавки в 1 км² земної поверхні, n = 5,5. 

     3. За формулою (3.18) визначаємо очікувану кількість уражень блискавкою за рік :     N= ,

          N=0,044 рази. 

     4. За табл. 3.21 визначаємо, що  приміщення відноситься до І категорії захисту, зона А. Відношення А/В=50/20=2,5 < 3, тож доцільно застосувати два стрижневі блискавковідводи. 

     5. Приймаємо відстань від стрижневого  блискавковідводу до споруди  Sв = 4 м. (див. рис. 3.14).

Рис. 3.14. Відстань Sв від стрижневого блискавковідводу до споруди

     Визначаємо  відстань між двома окремими блискавковідводами.

     L=2Sв+А=2·4+50=58 м. 

     6. Для забезпечення потрібного  блискавкозахисту необхідно, щоб  будинок перекривався зонами  захисту, утвореними кожним блискавковідводом.  Тому приймаємо радіус захисту  Rх =20 м. 

     7. Визначимо висоту кожного блискавковідводу  для зони А за формулою (3.21), приймаючи Нх = h = 10 м. і Rх =20 м.

     в = 1,12235; С = 32,94.

     Тоді  Н_1,2= ,

     Н_1,2 , 

     Н₁ = 530,5 м,

     Н₂ =  30,5 м.  

     З двох коренів приймається Н= 30,5 м. 

     8. В даному випадку Н < L < 2H, тобто 30,5 < 58 < 61.

     Тоді  Нс, Rсх і Rсо обчислюються відповідно за формулами (3.24), (3.25) і (3.26).

     Нс= Но – (0,17+3 ·10 ^{- 4}Н)( L–Н)=0,85 · 30,5 – (0,17+3 ·10 ^{– 4} · 30,5)×

     ×(58 –30,5) 21м.

     Rсх= ;

     Rо=Rс=(1,1-0,002Н)Н  = (1,1-0,002 · 30,5) · 30,5,

     Rо=Rс=31,72 м.

     Тоді                            Rсх= =16,5 м.. 

     9. Побудова границь зони захисту блискавковідводу.

     Від основи кожного блискавковідводу точки  О і О₁ у різні боки відкладаємо по два відрізки величиною R_O=31,7 м. На осьових лініях блискавкоприймачів відкладаємо відрізки, які дорівнюють Н_О=0,85Н=25,92 м. Отримані точки А і А₁ з’єднуємо з точками В і В₁.

     Із  точки С, яка знаходиться на середині відстані поміж блискавкоприймачів, виставляємо перпендикуляр до лінії ВВ₁ і відкладаємо відрізок СС₁, який дорівнює Нс=21м. Отримуємо фігуру ВАС₁А₁В₁, яка у фронтальному перетині буде зоною захисту.

     У плані вона буде представлена зонами захисту кожного блискавковідводу.

       В середині поміж блискавковідводами  ширина захисту буде визначатися  на рівні землі   величиною   Rс= Rо=31,72м,   а на   висоті Н_Х -  величиною Rсх =16,5м.

     10. Вибір заземлювача виконується за принципом, викладеним в прикладі 3.1.  
 

     Приклад 3.9

     Потрібно  захистити будинок тросовим блискавковідводом, опори якого передбачається зміцнити по торцях будинку на відстані Rх =3 м.

     Будинок прямокутний у плані з розмірами  А×В =38×6 м. Висота стіни  (краю даху) Н = 4 м. Висота гребеня даху над землею однакова вздовж будинку і дорівнює Нк = 5м.

     Визначити висоту опори тросового блискавкоприймача. Зона захисту будинку – зона Б.

     Розв’язок

     1. Визначимо висоту тросового блискавковідводу  за формулою (3.37):

     Н= =6,13 м..

     2. Визначимо висоту опори блискавкоприймача.  Оскільки L <120м, то  Ноп = Н+2м.

     Ноп =6,13+2=8,13 м.

     Опори піднімаються над гребенем даху на відстань:

     Ноп – Н_К =8,13 – 5=3,13 м. 
 
 

                                                                Таблиця 3.19

Очікувана середньорічна кількість ударів блискавки в 1 км² земної поверхні n в залежності від інтенсивності грозової діяльності К.

                                                                Таблиця 3.20

Середньорічна грозова діяльність, К

                                                                  Таблиця 3.21

Категорії пристроїв блискавкозахисту та типи зон захисту

     Примітка: К- середня грозова  діяльність у годинах  за рік; N – очікувана  кількість уражень блискавкою за рік будівель та споруд, котрі не обладнані блискавкозахистом N=[(S+6h)(L+6h)–7,7h²]n•10^-6; для башт, вишок, димових труб N= 9ph²n•10^-6, де S i L - відповідно ширина і довжина будівлі, що має в плані прямокутну форму, м; h – найбільша висота будівлі (споруди), м; n – середньорічне число ударів блискавки в 1 км² земної поверхні в місці розташування будівлі (табл.3.19).