ДИПЛОМ / Раздел ДП Безопасность и охрана труда, Методические указхапния и примеры расчета / ПРимеры выполнения расчетов по ОТ

ством грозовых дней в году (пд). Принято продолжительность грозы считать равной 1,5 часа (пд= 30 дней) и 2 часа (пд > 30 дней). Следовательно, интенсивность грозовой деятельности

пч = (1,5 ...2)пд

(9.2)

Имеется более обобщенный показатель - число ударов в год (п) на 1 км2 поверхности земли (табл. 9.1).

Таблица 9.1 – Число ударов молнии в год

Интенсивность грозовой деятельности за год, nч,ч	20-40	40-60	60-80	80-100
Среднее число ударов молний в год на 1 км2, n	3	6	9	12

Вероятное число ударов молнии в год в здание или сооружение, не имеющее молниезащиты, определяется по формуле

N B 6hx (L 6hx )n10 6

(9.3)

где В – ширина здания, м; L – длина здания, м;

hх– наименьшая высота здания, м.

Число ударов молний для таких объектов, как дымовые трубы котельных, водонапорные и силосные башни, мачты, деревья, определяют из выражения

N = 9h2 106, (9.4)

где h – высота объекта, м.

Число опасных ударов в незащищенную линию электропередач (в год) составит

N = 0,42 LhcpnJ/T3,

(9.5)

где L– протяженность линии, км;

hcp – средняя высота подвеса проводов, м;

пч – интенсивность грозовой деятельности в год, ч.

В этом случае допущено, что опасная зона простирается от оси линии в обе стороны на 3 hcp

Различают два рода воздействий молнии на объекты: первичное, связанное с прямым ударом; вторичное, вызываемое электромагнитной и электростатической индукцией и заносом высоких потенциалов через металлические коммуникации в сооружения при разряде облака.

При прямом ударе могут возникать пожары, взрывы, разрушения конструкций, поражения людей, перенапряжение на проводах электрической сети.

При электростатической индукции заряженное облако поляризует более или менее хорошо изолированные проводники. На поверхности земли и объек-

227

тах появляются связанные заряды положительного знака. Их быстрое освобождение приводит также к значительным разностям потенциалов между металлическими конструкциями и землей, вызванным протеканием зарядов через большие сопротивления. Образующиеся при этом искровые разряды внутри сооружения могут привести к взрывам, пожарам и т. д.

Электромагнитная индукция возникает в стадии главного разряда, когда очень большой и быстро изменяющийся ток создает в пространстве интенсивное переменное магнитное поле. В пронизанных частью этого поля контурах из протяженных металлических предметов (трубопроводов, электрических проводов, оболочек и т. п.) появляется электродвижущая сила (ЭДС), способная вызвать искрообразование, если в каких-либо местах контур разорван или в нем имеются плохие электрические контакты (неплотные болтовые соединения, корродированные участки, например во фланцах). В замкнутых контурах появляется ток, и индуцированная энергия рассеивается в виде джоулевого тепла, редко вызывая опасные последствия.

Занос высокого потенциала происходит по различным надземным и подземным протяженным коммуникациям (рельсы, трубопроводы, воздуховоды, оболочки кабелей, воздушные провода и т. п.) как при прямом ударе в них, так и в случае, если эти коммуникации находятся вблизи молниеотвода или другого предмета, пораженного молнией.

9.2. Классификация здании и сооружении ни по устройства молниезащиты

Взависимости от вероятности вызванного молнией пожара или взрыва, исходя из масштаба возможных разрушений и ущерба, установлены три категории зданий и сооружений [38].

ВI категорию включают здания и сооружения (или их части), в которых имеются взрывоопасные зоны, относимые к классам В-! и B-I I по Правилам устройства электроустановок (ПУЭ). В них хранятся или содержатся постоянно либо появляются во время производственного процесса смеси газов, паров или пыли горючих веществ с воздухом или иными окислителями, способные взорваться от электрической искры.

Ко II категории относят здания и сооружения (или их части), в которых имеются взрывоопасные зоны классов B-Ia, B-I6 и B-I 1а согласно ПУЭ. В таких сооружениях опасные смеси появляются лишь при аварии или неисправностях в технологическом процессе. К этой же категории принадлежат наружные технологические установки и открытые склады, содержащие взрывоопасные газы и пары, горючие и легковоспламеняющиеся жидкости (газгольдеры, цистерны и резервуары, сливо-наливные эстакады и т. п.), относимые по ПУЭ к взрывоопасным зонам класса В-Iг.

ВIII категорию входят несколько вариантов зданий и сооружений:

1)здания и сооружения со взрывоопасными зонами классов П-I, П- II и П- II а согласно ПУЭ-76;

2)открытые склады твердых горючих веществ и наружные технологиче-

228

ские установки, в которых применяют или хранят горючие жидкости с температурой вспышки паров выше 61°С, относимые по ПУЭ к классу П–III;

3)здания и сооружения III, IV и V степени огнестойкости, в которых отсутствуют производства с зонами, относимыми по ПУЭ к классам пожаро- и взрывоопасным;

4)животноводческие и птицеводческие здания и сооружения III, IV и V степени огнестойкости: для крупного рогатого скота и свиней – на 100 голов и более, для лошадей – на 40 голов и более, для овец – на 500 голов и более, для птицы – на 1 ООО голов и более;

5)жилые и общественные здания, возвышающиеся более чем на 25 м над средней высотой окружающих зданий в радиусе 400 м, а также отдельно стоящие здания высотой более 30 м, удаленные от других зданий более чем на 400 м;

6)общественные здания III, IV и V степени огнестойкости следующего назначения: детские сады и ясли, школы и школы-интернаты, спальные корпуса и столовые санаториев, домов отдыха и пионерских лагерей, лечебные корпуса больниц, клубы, кинотеатры;

7)здания и сооружения, являющиеся памятниками истории и культуры;

8)дымовые трубы предприятий и котельных, водонапорные и силосные башни, вышки различного назначения высотой более 15 м.

При выборе устройств молниезащиты по этим категориям принимают во внимание важность объекта, его высоту, расположение среди других объектов, количество животных в сооружении, интенсивность грозовой деятельности и другие факторы.

Здания и сооружения I категории должны быть обязательно защищены от прямых ударов молнии, от электрической и электромагнитной индукции, от заноса высокого потенциала через подземные и надземные коммуникации на всей территории РФ. Молниеотводы предусматриваются с зонами защиты типа А.

Здания и сооружения II категории должны быть защищены от прямых ударов молнии, вторичных ее воздействий и заноса высоких потенциалов по коммуникациям только в местностях со средней интенсивностью грозовой деятельности пч>10. Тип зоны защиты молниеотводов зависит от показателя N: зона типа А берется при N>1, а зона типа Б – при N< 1.

Наружные технологические установки класса B-I г, относимые также ко II категории, подлежат защите от прямых ударов, молнии на всей территории РФ,

амолниеотводы предусматриваются с зонами типа Б. Некоторые из этих установок подлежат защите и от электростатической индукции (например, резервуары с плавающими крышами или пантонами).

Здания и сооружения III категории подлежат молниезащите в местностях с грозовой деятельностью 20 ч и более в год, а тип зоны защиты молниеотводов зависит от степени огнестойкости здания.

Например, зона типа Б требуется для зданий и сооружений I и II степени огнестойкости при 0,1<N<2 и для III, IV и V степени огнестойкости – при 0,02<N< 2,5; при N>2 необходима зона типа А.

Для наружных установок класса П–III предусматривают молниезащиту

229

при грозовой деятельности 20 ч и более в год и зону защиты типа Б.

Для зданий и сооружений III категории молниезащиту предусматривают в местностях со средней грозовой деятельностью 20 ч и более в год, тип зоны защиты определяют показателем N: при 0.KN < 2 – зона Б, а при N>2 – зона А.

Животноводческие (птицеводческие) здания и сооружения оборудуют молниезащитой в местностях со средней грозовой деятельностью 40 ч и более в год, зону защиты во всех случаях предусматривают типа Б.

Молниезащиту жилых и общественных зданий организуют в местностях со средней грозовой деятельностью 20 ч и более в год с типом зоны защиты Б.

Все здания и сооружения III категории защищают от прямых ударов молнии и заноса высоких потенциалов через наземные металлические коммуникации, наружные установки защищают только от прямых ударов молнии.

9.3. Зоны защиты молниеотводов

Молниеотвод защищает здание и сооружение от прямых ударов. Он состоит из молниеприемника, непосредственно воспринимающего удар молнии; токоотвода (спуска), соединяющего молниеприемник с заземлителем; заземлителя, через который ток молнии стекает в землю [8]. Вертикальную конструкцию (столб или мачту) или часть сооружения, предназначенную для закрепления молниеприемника и токоотвода, называют опорой молниеотвода (рис. 9.2).

1 – опора; 2 – система заземления; 3–токовод; 4 – граница защитной зоны молниеотвода; 5– активная часть молниеотвода; 6 – молниеприемник; А – высота молниеотвода; hx – высота защитного сооружения; rх – радиус защиты

Рис. 9.2. Схема молниеотвода и зона его защиты

Зона защиты молниеотвода – это часть пространства, примыкающая к молниеотводу, внутри которого здание или сооружение защищено от прямых ударов молнии с определенной степенью надежности.

Зона защиты типа А обладает степенью надежности 99,5% и выше, а зона защиты типа Б – 95% и выше.

По типу молниеприемников молниеотводы делят на стержневые, тросовые и сеточные; по количеству и общей зоне защиты – на одиночные, двойные и многократные. Кроме того, различают молниеотводы отдельно стоящие, изолированные и не изолированные от защищаемого здания.

Стержневые молниеотводы представляют собой вертикальные стержни

230

или мачты, тросовые – горизонтальные тросы или провода, закрепленные на двух опорах, по каждой из которых прокладывают токоотвод к отдельному заземлителю.

У сеточных молниеотводов молниеприемником служит металлическая сетка, присоединяемая токоотводом к заземлителю.

При устройстве молниезащиты учитывают особенности защищаемого зда-

ния.

Пример 9.1. Определить категорию и тип защиты газораспределительного пункта размерами 3x6 м и высотой 5 м. Здание находится в местности с интенсивностью грозовой деятельности 60-80 ч в год.

Решение. Газораспределительный пункт по правилам устройства электроустановок (ПУЭ) относится к зонам класса В-1 а, тогда здание пункта следует отнести ко 11 категории.

Для установления типа зоны защиты молниеотвода по формуле (9.3) рассчитаем число ударов молнии в здание пункта при отсутствии молниезащиты

N В 6hx L 6hx n10 6 3 6x5 6 6x5 9x10 6 0,011

Вывод. Так как N < 1, то зону защиты молниеотвода принимаем типа Б со степенью надежности 95 % и выше.

9.4. Расчет одиночного стержневого молниеотвода

Зона защиты одиночного стержневого молниеотвода высотой h<150 м представляет собой конус (рис. 9.3), вершина которого находится на высоте h0<h, основание образует круг радиусом r0.

Рис. 9.3. Зона защиты одиночного стержневого молниеотвода

Горизонтальное сечение зоны защиты на высоте защищаемого сооружения hx представляет собой круг радиусом rх, называемый радиусом защиты.

Для зоны типа А параметры зоны защиты одиночного стержневого мол-

ниеотвода можно определить из выражений
h0 = 0,85·h;	(9.6)
r0=(1,1 ·0,002h)h;	(9.7)
rx 1,1 0,002 h h hx /0,85	(9.8)
231

Для зоны типа Б параметры зоны защиты одиночного стержневого молниеотвода можно определить из выражений

h0 = 0,92 h;	(9.9)
r0 = l,5h	(9.10)
rx = l,5[h – (hx/0,92)	(9.11)

Величину rх определяют по теореме Пифагора.

Для зоны типа Б высоту молниеотвода h при известных величинах hx и rх определяют по формуле

h = (rx+ l,63hx) /1,5

(9.12)

Радиус зоны защиты одиночного стержневого молниеотвода высотой менее 60 м определяют из выражения

а) при 0<hx<2/3·h

rх = 1,5 (h – 1,25·hx

(9.13)

б) при 2/3·h <hx<h

rx = 0,75(h – hx)

(9.14)

Пример 9.2. Рассчитайте радиус зоны защиты одиночного стержневого молниеотвода высотой h = 10 м на высотах h, 4, 6, 8 м.

Решение. Радиус зоны защиты rx на высоте защищаемого объекта hx определяется по формулам (9.13) и (9.14).

Для высот 4 и 6 м радиус зоны защиты определим по формуле (9.13), так как в этих случаях 0 ≤ hx ≤ 2/3 h; для высоты 8 м – по формуле (9.14), так как

2/3h ≤ hх ≤ h

rx 1,5 h 1,25hx 1,5 10 1,25 4 7,5м rx 1,5 h 1,25hx 1,5 10 1,25 6 3,75м rx 0,75 h hx 0,7510 8 1,5м

Вывод. Радиусы зоны защиты молниеотвода 7,5м – на высоте 4м; 3,75 – на высоте 6м и 1,5м – на высоте 8м.

Пример 9.3. Определить оптимальную высоту одиночного стержневого молниеотвода и размеры зоны защиты на высоте защищаемого объекта (hx = 7м) и на уровне земли для здания размером 15x3 м2.

Решение. Определим rх, используя теорему Пифагора

232

			1					8,6 м
	r				l2 b2	0,5	152 32
	x	2

Высоту молниеотвода определим по формуле (9.14), выразив h h = {rx/0,75) + hx = (8,6/0, 75) +7= 18,4м.

Зону защиты на уровне земли рассчитаем по формуле (9.10) r0 = l,5·h = 1,5·18,4 = 27,6 м.

Вывод. Для здания высотой 7 м необходим молниеотвод 18,4 м.

9.5. Двойной стержневой молниеотвод одинаковой высоты

Двойной стержневой молниеотвод (А < 150м) представлен на рис. 9.4. Торцевые части зоны защиты определяют как зоны одиночных стержневых молниеотводов. Значения h0, r0, rx, hx рассчитывают по формулам (9.6)-(9.12) для обоих типов зоны защиты.

Другие величины зоны защиты двойного стержневого молниеотвода определяют следующим образом.

1 – граница зоны защиты на уровне hxl 2– граница зоны защиты на уровне hs2; 3 – граница зоны защиты на уровне земли

Рис. 9.4. Зона защиты двойного стержневого молниеотвода

Габаритные размеры для зоны типа А (существует при L<3h) а) при L≤ h

hc h0 ;rcx	rx ;rc	r0	(9.15)
б) при h < L≤2h
rc = r0; rсх= ro (hc –hx)/hc; hc = hc – (0, 17 + 3х10 -4 h) (L – h);			(9.16)

Габаритные размеры для зоны типа Б (существует при L <5h) а) при L≤ h

233

hc =h0; ra= rx; rc = r0;	(9.17)
б) при h <L≤6h
hc = h0 –0,14(L – h); rc = r0; rсх= r0(hc – hx)/hc	(9.18)

При известных hc и L (rcx =0) высоту молниеотвода для зоны типа Б устанавливают по формуле

h = (hc + 0,14 L)/1,13	(9.19)
Если стержневые молниеотводы стоят на расстоянии	L>6h, их рассмат-
ривают как одиночные.

9.6. Двойной стержневой молниеотвод разной высоты

Двойной стержневой молниеотвод разной высоты представлен на рис. 9.5 (для h1 и h2 <150 м). Торцевые части также представляют собой зоны защиты одиночных стержневых молниеотводов соответствующей высоты, a h0, h02, r0l, r02 rx2 устанавливают по формулам (9.6)-(9.12) для обоих типов зон.

1 – граница зоны защиты на уровне hx; 2 – граница зоны защиты на уровне земли

Рис. 9.5. Зона защиты двух стержневых молниеотводов разной высоты

Габаритные размеры определяют из выражений

hx = (kcl + hc2)/ 2; rс = (rо1 + r02)/2; rсх = rc (hc – hx) /hс

(9.20)

Значения hc1 и hс2 для обоих типов зон защиты вычисляют по формулам

(9.15)-(9.18).

Для разновысокого двойного стержневого молниеотвода зона защиты типа А существует при L≤ 4hmin, а зоны типа Б – при L≤ 6hmin. При больших расстояниях молниеотводы рассматривают как одиночные.

234

9.7. Многократный стержневой молниеотвод

Зону защиты многократного стержневого молниеотвода равной высоты определяют как зону защиты попарно взятых соседних стержневых молниеотводов (рис. 9.6). Основным условием защищенности одного сооружения или группы сооружений высотой hx с надежностью, соответствующей зонам типа А и Б, является неравенство rсх > 0 для всех попарно взятых молниеотводов.

Величину rсх для обоих типов зоны защиты рассчитывают по формулам

(9.15)-(9.18).

1 – граница зоны защиты на высоте hx; 2 – граница зоны защиты на уровне земли

Рис. 9.6. Многократный стержневой молниеотвод в плане

Пример 9.4. Спроектировать молниезащиту сельской усадьбы четырьмя отдельно стоящими молниеотводами, расположенными по углам прямоугольника (рис. 9.7). Наибольшая высота защищаемых строений hx =5м.

Решение. По формуле (9.19) при известных hc =5 м (принимая hc = hx), L = 66 м и rсх =0 предварительно определяют h, учитывая, что высота двойного молниеотвода для зоны типа Б будет равна

h hс 0,14L /1,13 5 0,14x66 /1,13 12,6м

Однако условием защищенности зданий и сооружений, расположенных на достаточно большой территории, многократным стержневым молниеотводом является rcx >0. С учетом этого высоту молниеотвода принимаем, например, 15м и производим соответствующие расчеты по проверке защищенности строений, которые находятся как в пределах, так и вне площади прямоугольника, образованного молниеотводами 1– 4

Для этого необходимо построить сечение зоны защиты на высоте hx =5 м для молниеотводов 3 и 4. Пользуясь формулами (9.9) и (9.11), находят вершину конуса ко и радиус зоны защиты одного из молниеотводов rх

h0=0,92·h = 0,92x15 =13,8 м,

rх = 1,5 [(h – (hх/ 0,92)] = 1,5 [15 - (5/0,92)] = 14,4 м.

235

По формуле (9.18) определяют защитный уровень кс по середине молниеотводов 3 и 4, находящихся на расстоянии h = 66 м

hс = hо– 0,14(L–h) = 13,8–0,14(66 – 15)=6,7м

Рис. 9.7. Молниезащита сельской усадьбы [38]

Зону защиты на уровне земли рассчитаем по формуле (9.10)

r0 = 1,5·h = 1,5·15= 22,5 м.

По формуле (9.16) находят радиус зоны защиты на высоте защищаемого уровня строений hх =5 м в среднем сечении между молниеотводами 3 и 4

rсх= r0(hс- hх)/hc =22,5(6,7- 5)/6,7 = 5,7м

Аналогично определяют hс2 и rс2 по середине молниеотводов 4 и 1, находящихся на расстоянии L = 60 м

hс2== 13.8–0,14(60 –15) =7,5 м; rck = 22,5(7,5 – 5)/7,5 = 7,5 м.

По полученным данным строим горизонтальное сечение зоны защиты на защищаемом уровне hх =5 м.

Вывод. Все части построек входят в зону защиты.

9.8. Одиночный тросовый молниеотвод

Зона защиты тросового молниеотвода приведена на рис. 9.8 (А < 150 м). Здесь h – высота троса в точке наибольшего провеса. С учетом стрелы провеса при известной высоте опор hоп и длине пролета а<120 м высота троса h = hon – 2 м, а при 120< а <150м высота троса h = hon – 3м

236