умк_Чеботарев_ч

ТЕМА 2. АТМОСФЕРНОЕ ЭЛЕКТРИЧЕСТВО

2.1. Физическая природа и опасные факторы атмосферного электричества

Молния представляет собой электрический разряд длиной в несколько километров, развивающийся между грозовым облаком и землей или ка- ким-либо наземным сооружением. Разряд молнии начинается с развития лидера – слабосветящегося канала с током в несколько сотен ампер. По направлению движения лидера – от облака вниз или от наземного сооружения вверх – молнии разделяются на нисходящие и восходящие.

Лидер нисходящей молнии возникает под действием процессов в грозовом облаке, и его появление не зависит от наличия на поверхности земли каких-либо сооружений. По мере продвижения лидера к земле с наземных объектов могут возбуждаться направленные к облаку встречные лидеры. Соприкосновение одного из них с нисходящим лидером (или касание последнего поверхности земли) определяет место удара молнии в землю или какой-либо объект.

Плотность ударов молнии в землю сильно колеблется по регионам земного шара и зависит от геологических, климатических и других факторов. При общей тенденции роста этого значения от полюсов к экватору оно, например, резко сокращается в пустынях и возрастает в регионах с интенсивными процессами испарения. В целом по территории земного шара плотность ударов молнии варьируется практически от нуля в приполярных областях до 20 – 30 разрядов на 1 км2 поверхности земли за год во влажных тропических зонах.

Воздействия молнии принято подразделять на две основные группы: первичные, вызванные прямым ударом молнии, и вторичные, индуцированные близкими ее разрядами или занесением в объект протяженными металлическими конструкциями.

Опасность прямого удара и вторичных воздействий молнии для зданий и сооружений и находящихся в них людей и животных определяется, с одной стороны, параметрами разряда молнии, а с другой – технологическими и конструктивными характеристиками объекта (наличием взрыво- и пожароопасных зон, огнестойкостью строительных конструкций, видом входящих коммуникаций, их расположением внутри объекта и т.д.).

Под прямым ударом молнии понимают непосредственный контакт канала молнии с объектом, сопровождающийся протеканием через него тока молнии.

51

Прямой удар молнии вызывает следующие воздействия на объект:

–электрические, связанные с поражением людей электрическим током и появлением перенапряжений на пораженных элементах. При отсутствии молниезащиты пути растекания тока молнии неконтролируемы и ее удар может создать опасность поражения током, опасные напряжения шага

иприкосновения, перекрытия на другие объекты;

–термические, связанные с резким выделением теплоты при прямом контакте канала молнии с объектом и протеканием через объект тока молнии. При протекании тока молнии по тонким проводникам создается опасность их расплавления и разрыва;

–механические, обусловленные ударной волной, распространяющейся от канала молнии, и электродинамическими силами, действующими на проводники с токами молнии. Контакт с каналом молнии может вызвать резкое паро- и газообразование в некоторых материалах с последующим механическим разрушением, например, расщеплением древесины или образованием трещин в бетоне.

Вторичное проявление молнии – это наведение потенциалов на металлических элементах конструкции, оборудования, в незамкнутых металлических контурах, вызванное близкими разрядами молнии и создающее опасность искрения внутри защищаемого объекта. Вторичные проявления молнии связаны с действием на объект электромагнитного поля близких разрядов. Обычно это поле рассматривают в виде двух составляющих: первая обусловлена перемещением зарядов в лидере и канале молнии, вторая – изменением тока молнии во времени. Эти составляющие принято называть электростатической и электромагнитной индукцией.

Электростатическая индукция. Образовавшийся электростатический заряд облака наводит (индуцирует) заряд противоположного знака на предметах, изолированных от земли. Эти заряды сохраняются и после удара молнии. Они релаксируют обычно путем электрического разряда на ближайшие заземленные предметы. При отсутствии надлежащего заземлителя перенапряжение может достигать сотен киловольт и создавать опасность поражения людей, воспламенения горючих смесей и взрывов.

Электромагнитная индукция. В канале молнии протекает очень мощный и быстро изменяющийся во времени ток. Он создает мощное переменное во времени магнитное поле, которое индуцирует в металлических контурах электродвижущую силу разной величины. В местах сближения контуров между ними могут происходить электрические разряды, способные воспламенить горючие смеси.

52

Еще одним видом опасного воздействия молнии является занос высокого потенциала по вводимым в объект металлическим коммуникациям (подземным, наземным и надземным трубопроводам, воздушным линиям электропередач, кабелям). Он представляет собой перенапряжение, возникающее на коммуникации при прямых и близких ударах молнии и распространяющееся в виде набегающей на объект волны электрических потенциалов, возникающих на коммуникациях, расположенных вне здания, но входящих внутрь его. Занесенные внутрь здания высокие потенциалы разряжаются на заземленное оборудование.

2.2. Защита от атмосферного электричества

Для защиты от атмосферного электричества предусматривается комплекс защитных устройств, называемых молниезащитой и предназначенных для обеспечения безопасности людей, сохранности зданий и сооружений, оборудования и материалов от возможных взрывов, загораний и разрушений.

Защита от электростатической индукции заключается в отводе индуцируемых зарядов в землю путем присоединения металлического оборудования, расположенного внутри и вне зданий, к специальному заземлению и к защитному заземлению электроустановок.

Для защиты от электромагнитной индукции между трубопроводами и другими протяженными металлоконструкциями в местах их сближения на расстояние 10 см и менее через каждые 20 м устанавливают металлические перемычки. Наведенные токи перетекают из одного контура в другой без образования электрических разрядов между ними.

Защита от заноса высоких потенциалов внутрь зданий обеспечивается отводом потенциалов в землю вне здания путем присоединения металлоконструкций на вводе в здание к заземлителям защиты от электростатической индукции или к защитным заземлениям электроустановок.

Молниезащита от прямых ударов молнии в наземные объекты осуществляется в виде специальных устройств, называемых молниеотводами

(рис. 14).

Защитное действие молниеотвода основано на свойстве молнии с большой 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.

53

Рис. 14. Молниеотводы:

а– отдельно стоящий стержневой молниеотвод; б – тросовый молниеотвод;

в– установка молниеотвода на здании; г – использование в качестве молниеприемника

металлической кровли здания или молниеприемной сетки; 1 – опора (высотой до 25 м – из дерева, до 75 м – из металла или железобетона);

2 – молниеприемник (стальной профиль сечением не менее 100 мм 2);

3– токоотвод (сечением не менее 48 мм 2); 4 – заземлитель

Вобщем случае молниеотвод состоит из опоры; молниеприемника, непосредственно воспринимающего удар молнии; токоотвода, по которо- му ток молнии передается в землю; заземлителя, обеспечивающего расте- кание тока молнии в земле. В некоторых случаях функции опоры, молние- приемника и токоотвода совмещаются, например, при использовании в ка- честве молниеотвода металлических труб или ферм.

Конструктивно молниеотводы разделяются на следующие виды:

– стержневые – с вертикальным расположением молниеприемника;

– тросовые – с горизонтальным расположением молниеприемника, закрепленного на двух заземленных опорах;

– сетки – многократные горизонтальные молниеприемники, пере- секающиеся под прямым углом, укладываемые на защищаемое здание.

Одиночный стержневой молниеотвод – один вертикальный мол-

ниеотвод, устанавливаемый на защищаемом сооружении или вблизи него.

Впоследнем случае он носит название – отдельно стоящий стержневой молниеотвод.

Двойной стержневой молниеотвод – два одиночных стержневых молниеотвода, совместно действующих и образующих общую зону защиты.

Опоры двойного стержневого молниеотвода могут быть установлены на защищаемом сооружении или вблизи него. В последнем случае он но- сит название – двойной отдельно стоящий стержневой молниеотвод.

54

Многократный стержневой молниеотвод – три и более одиночных стержневых молниеотвода, совместно действующих и образующих общую зону защиты.

Одиночный тросовый молниеотвод – устройство, образуемое го-

ризонтальным тросом, закрепленным на двух опорах, по каждой из которых прокладывается токоотвод, присоединяемый к отдельному заземлителю у их основания.

Отдельно стоящий стержневой молниеотвод состоит из опоры, молниеприемника, токоотвода и заземлителя.

Втросовом молниеотводе в качестве молниеприемника используется горизонтальный трос, который закрепляется на двух опорах. Токоотводы присоединяются к обоим концам троса, прокладываются по опорам и присоединяются каждый к отдельному заземлителю.

2.3.Категории молниезащиты

Всоответствии с «Инструкцией по устройству молниезащиты зданий и сооружений» (РД 34.12.122) в зависимости от взрывопожароопасности объектов, среднегодовой продолжительности гроз, а также от ожидаемого количества поражений молнией в год устанавливаются 3 категории устройств молниезащиты и 2 типа (А, Б) зон защиты объектов от прямых ударов молнии.

Степень взрывопожароопасности объектов оценивается по класси-

фикации зон по «Правилам устройства электроустановок» (ПУЭ).

К первой категории относятся объекты с взрывоопасными зонами классов В-I, В-II независимо от места расположения объекта и от интенсивности грозовой деятельности. Тип зоны защиты объектов от прямых ударов молнии А (т.е. обеспечивает перехват на пути к защищаемому объекту не менее 99,5 % прямых ударов молнии).

По второй категории осуществляется защита объектов, относимых по классификации по ПУЭ к взрывоопасным зонам классов В-Iа, В-Iб и В-IIа в местностях со средней продолжительностью гроз 10 часов в год и более. Тип зоны защиты определяется по ожидаемому количеству поражений объекта молнией в год (при N > 1 должна обеспечиваться зона защиты А, при N ≤ 1 – зона защиты Б (перехват не менее 95 % прямых ударов молнии).

55

Наружные установки, отнесенные согласно ПУЭ к зоне класса В-Iг, независимо от места расположения и интенсивности грозовой деятельно- сти относятся ко второй категории с зоной защиты Б.

По третьей категории организуется защита объектов, относимых по ПУЭ к пожароопасным зонам классов П-I, П-II, П-IIа при расположении объектов в местностях со средней грозовой деятельностью 20 часов в год и более. При ожидаемом количестве поражений в год N > 2 должна обеспе- чиваться зона защиты типа А, в остальных случаях – типа Б. По третьей категории производится защита наружных установок и открытых складов, отнесенных согласно ПУЭ к зоне класса П-III, а также общественных и жилых зданий, башен, вышек, труб предприятий.

Здания и сооружения, отнесенные по устройству молниезащиты к первой и второй категориям, должны быть защищены от прямых ударов молнии, электростатической и электромагнитной индукции и заноса вы- соких потенциалов через наземные и подземные металлические комму- никации.

Здания и сооружения, отнесенные по устройству молниезащиты к третьей категории, должны быть защищены от прямых ударов молнии и заноса высоких потенциалов через наземные металлические конструкции.

Объекты первой категории молниезащиты защищают от прямых ударов молнии отдельно стоящими стержневыми, тросовыми молниеотво- дами или молниеотводами, устанавливаемыми на защищаемом объекте, но электрически изолированными от него. Импульсное электросопротивление

заземлителя для каждого токоотвода на объектах первой категории защиты должно быть не более 10 Ом.

Для защиты от ударов молнии объектов второй категории применя- ют отдельно стоящие или установленные на защищаемом объекте не изо- лированные от него стержневые и тросовые молниеотводы. Допускается

использование в качестве молниеприемника металлической кровли здания или молниеприемной сетки (из проволоки диаметром 6 – 8 мм и ячейками 6 × 6 м), накладываемой на неметаллическую кровлю. Импульсное сопро- тивление каждого заземлителя должно быть не более 10 Ом.

Наружные установки, отнесенные по устройству молниезащиты ко второй категории, должны быть защищены от прямых ударов молнии и электростатической индукции.

56

2.4. Расчет количества поражений объекта молнией в течение года

Исходными данными для расчета количества поражений (N) молнией

вгод являются:

–среднегодовая продолжительность гроз в часах в месте расположения объекта;

–наибольшая высота здания или сооружения, h, м;

–ширина здания, s, м;

–длина здания, l, м;

–среднегодовое число ударов молнии в 1 км2 земной поверхности (удельная плотность ударов молнии в землю), n.

Среднегодовая продолжительность гроз в часах определяется по карте (РД 34.21.122) или по утвержденным региональным картам продолжительности гроз, или по средним многолетним данным метеонаблюдений (в течение 10 лет).

Определив среднегодовую продолжительность гроз, находим удельную плотность ударов молнии в землю n, 1/(км2/год) (табл. 7).

	Таблица 7
Удельная плотность ударов молнии
Среднегодовая продолжительность гроз	Удельная плотность ударов
10 – 20	1
20 – 40	2
40 – 60	4
60 – 80	5,5
80 – 100	7
100 и более	8,5

Подсчет ожидаемого количества (N) поражений молнией в год производится по формулам:

а) для сосредоточенных зданий и сооружений (дымовые трубы, вышки, башни)

N = 9nh2n ×10−6 ;			(10)
б) для зданий и сооружений прямоугольной формы
N = é(s + 6h) × (l + 6h) - 7,7h2	ù	× n ×10−6 .	(11)
ë	û

57

2.5. Зоны защиты молниеотводов

Зона защиты молниеотвода – это часть пространства, внутри которого здание или сооружение защищено от прямых ударов молнии с определенной степенью надежности. Наименьшей и постоянной по величине степенью надежности обладает поверхность зоны защиты; по мере продвижения внутрь зоны надежность защиты увеличивается. Зона защиты типа А обладает степенью надежности 99,5 % и выше, а зона защиты типа Б – 95 % и выше.

Зона защиты объектов по первой категории (независимо от места расположения и интенсивности грозовой деятельности в месте их расположения) должна относиться к типу А.

Зона защиты объектов, относимых ко второй категории, зависит от количества N поражений молнией в течение года со средней грозовой деятельностью 20 часов и более в год; при N ≤ 1 достаточна зона защиты типа Б; при N > 1 должна обеспечиваться зона защиты типа А.

Для наружных технологических установок и открытых складов, относимых по ПУЭ к зонам класса В-Iг (без расчета N), принимается зона защиты типа Б.

По третьей категории, при расположении объектов в местностях со средней грозовой деятельностью 20 часов и более в год при N > 2 должна обеспечиваться зона защиты типа А, в остальных случаях – типа Б.

2.6.Расчет зон защиты одиночных стержневых

иодиночных тросовых молниеотводов

Одиночный стержневой молниеотвод

Зона защиты одиночного стержневого молниеотвода высотой h представляет собой круговой конус (рис. 15), вершина которого находится на высоте h0 < h. На уровне земли зона защиты образует круг радиусом r0. Горизонтальное сечение зоны защиты на высоте защищаемого сооружения hх представляет собой круг радиусом rх.

Зоны защиты одиночных стержневых молниеотводов высотой h ≤ 150 м имеют размеры, указанные в табл. 8.

58

Рис. 15. Зона защиты одиночного стержневого молниеотвода:

1 – защищаемый объект; 2 – место установки молниеотвода;

3 – граница зоны защиты на уровне hx; 4 – граница зоны защиты на уровне земли

Таблица 8

Размеры зон защиты одиночных стержневых молниеотводов высотой h ≤ 150 м

	Зона А:						Зона Б:
						h0 = 0,92 × h
	r0 = (1,1- 0,002 × h) × h					r0 =1,5× h
	rx = (1,1- 0,002 × h) ×(h - hx 0,85)			rx =1,5×(h - hx				0,92)
	Зона А:
	h0 = 0,85h ;							(12)
	r0 = (1,1− 0,002h)h;							(13)
		æ				h	ö
	rx = (1,1-	0,002h) ×ç h -				x	÷;	(14)
					0,85
		è					ø
		59

зона Б:

	h0 = 0,92h ;
	r0 =1,5h;
	æ	h	ö
	rx =1,5×ç h -	x	÷ .
		0,92
	è		ø

(15)

(16

(17)

Для зоны Б высота одиночного стержневого молниеотвода при известных величинах hх и rх может быть определена по формуле

h =	rx +1,63hx	.	(18)
1,5

Одиночный тросовый молниеотвод

Зона защиты одиночного тросового молниеотвода высотой h ≤ 150 м показана на рис. 16, где h – высота троса в точке наибольшего провеса. С учетом стрелы провеса при известной величине опор hоп высота стального троса сечением 35 – 50 мм2 определяется при длине пролета а < 120 м

как h = hоп – 2 м, а при а = 120 – 150 м как h = hоп – 3 м.

Зоны защиты одиночных тросовых молниеотводов имеют следующие габариты:

зона А:

	h0 = 0,85h ;
	r0 = (1,35 − 0,0025h)h ;
		æ	h	ö
	rx = (1,35 - 0,0025h)h ×	ç h -	x	÷	;
			0,85
		è		ø

зона Б:

	h0	= 0,92h ;
	r0 = 1,7h ;
		æ	h	ö
	rx =1,7	×ç h -	x	÷ .
			0,92
		è		ø

(19)

(20)

(21)

(22)

(23)

(24)

60