Конструкция молниеотводов и их сооружение. Разработка внешней молниезащитной системы для комплекса из двух зданий, с помощью двойного стержневого молниеотвода Молниеотвод устройство и физические особенности
Жителей городов мало волнует молниезащита и заземление, государство уже о них позаботилось, обязав проектировщиков и строителей предусмотреть соответствующие технические решения. Вопрос защиты от молний особо актуален для владельцев дач и загородных домов.
Делать молниезащиту или не делать – домовладелец решает сам. Однако сооружение заземления и надежного молниеотвода уменьшает опасность пожара в разы, позволяет защитить проводку, электроприборы и жизни обитателей дома.
Опасность разряда молнии
Облака представляют собой водяной пар или мелкие кристаллы льда. Они постоянно движутся, трутся о теплые струи воздуха и электризуются. Когда разность зарядов между ними достигает критического значения, происходит разряд. Это и есть молния.
Когда между облаком и землей проводимость наименьшая, то молния ударяет в землю, весь накопленный заряд стекает в нее. Затем и нужно заземление, чтобы забрать на себя энергию разряда.
Молния ударяет в самую высокую точку сооружения, проходя минимальное расстояние от облака до объекта. По сути, получается короткое замыкание, протекают гигантские токи, выделяется огромная энергия.
Если молниезащита отсутствует, то вся энергия молнии воспринимается зданием и растекается по токопроводящим конструкциям. Последствия такого удара – пожары, поражения людей, выход из строя электротехники.
Молниезащита забирает на себя энергию разряда и по токопроводу переправляет ее через заземлитель в землю, которая ее полностью поглощает. Поэтому молниеприемники (громоотводы) и прочие элементы молниезащиты выполняются из токопроводящих материалов с высокой проводимостью.
Типы защиты
По месту расположения молниезащита делится на внешнюю и внутреннюю. Внешняя защита по принципу действия подразделяется на пассивную и активную. Устройство молниезащиты пассивного типа включает три обязательных части:
- молниеприемник;
- токоотвод (токовод);
- заземлитель.
В зависимости от строения крыши устанавливаются различные молниеотводы. В активной молниезащите на вершине стрежня или мачты находится ионизатор воздуха, который создает дополнительный заряд и привлекает, таким образом, молнию. Радиус действия такой защиты значительно больше пассивной, бывает достаточно одной мачты для защиты дома и участка.
Внутренняя защита от молний
Особенно нужна молниезащита внутри зданий с большим количеством компьютерного оборудованием. Внутренняя молниезащита представляет собой комплекс устройств защиты от импульсных перенапряжений (УЗИП).
При попадании разряда молнии на линии электрической сети в ней возникают огромные кратковременные перенапряжения. Чтобы погасить их параллельно с проводниками фаза и ноль, фаза и земля, ноль и земля устанавливаются УЗИП. Это очень быстродействующие приборы со временем срабатывания от 100 нс до 5 нс.
Схема установки и характеристики УЗИП зависят от того, имеется внешняя молниезащита или нет. Они различаются конструкцией, представляют собой воздушные или газовые разрядники, варисторы, но суть одна.
При возникновении кратковременного перенапряжения шунтируют защищаемую цепь и всю энергию разряда принимают на себя. Но есть приборы и с последовательным соединением. Принцип действия тот же, при возникновении перенапряжений все падение напряжения происходит на устройстве.
УЗИП делятся на три класса. Устройства первого класса устанавливаются в главном распределительном щите. УЗИП снижает напряжение до 4 кВ. Приборы второго класса устанавливают перед вводным автоматом квартирного или домового электрического щита и снижают напряжение до 2,5 кВ.
Устройства третьего класса устанавливают в непосредственной близости от защищаемых приборов (компьютеры, серверы и подобные им устройства). Они обеспечивают снижение до 1,5 кВ. Этого снижения напряжения достаточно для большинства оборудования, особенно если продолжительность перенапряжения краткая. рекомендуется поручить специалистам.
Естественные молниеотводы
Кроме этого имеется естественные молниеотводы. Наши предки вольно или невольно тоже имели хорошую молниезащиту. Традиция высаживать около дома березу спасла не одну жизнь и не один дом. Береза, несмотря на то что она не очень хорошо проводит электрический ток, является замечательным молниеотводом и одновременно обеспечивает заземление.
А все из-за мощной корневой системы, которая расползается почти на поверхности почвы. За счет этого энергия молнии при попадании в дерево растекается по большой площади и благополучно уходит в землю. Сосна и ель в качестве молниезащиты даже лучше, но не сравнятся с березой из-за хрупкости древесины.
Конструкция молниеотводов
В общем случае, молниезащита зданий и сооружений представляет собой комплекс из молниеприемника, токопровода и заземлителя. Молниеприемники применяются в виде стержня, сети и натянутого троса.
Стержневой молниеприемник
Конструкция стержневой системы проста. Штырь молниезащиты соединяется с помощью токоотвода с металлическими штырями в грунте, обеспечивающими заземление.
Стержни (штыри) изготавливают из оцинкованной или омедненной стали высотой от полуметра до 5-7 метров. Диаметр зависит от высоты стержня и климатического района расположения. Омедненный стержень имеет лучшую электрическую проводимость по сравнению с оцинкованной сталью.
В зависимости от конфигурации здания и его кровли на крыше устанавливаются несколько стержней. Они крепятся к коньку, фронтону, вентиляционным колодцам и прочим капитальным конструкциям.
Зона влияния молниезащиты представляет собой конус с вершиной на острие молниеотвода. Стержни располагают таким образом, чтобы зоны их действия перекрывали все здание. Для стержневых молниеприемников правило защитного конуса с 90 градусной вершиной справедливо для стержня высотой до 15 м. Чем выше молниеприемник, тем меньше угол вершины защитного конуса.
Сетевой молниеприемник
Молниеприемная сеть представляет собой оцинкованный или омедненный провод диаметром 8-10 мм, покрывающий в виде сети всю крышу здания. Обычно молниезащиту в виде сетки устанавливают на плоские кровли.
Сеть формируется за счет перпендикулярно расположенных относительно друг друга проводов с определенным шагом. При помощи держателей провода соединяются между собой и крепятся к кровле. Иногда, вместо провода используют стальную полосу.
Провод или полоса обязательно должны быть соединены с заземлением. Для соединения применяют сварку, но можно его делать специальными зажимами. Зажимы для соединения электродов заземления с проводниками часто идут в комплекте, если приобретать все детали в специализированном магазине.
Тросовый молниеприемник
Тросовые молниеприемники представляют собой стальной или алюминиевый трос, натянутый между двумя мачтами. Мачты соединены с токоотводов, а тот в свою очередь с заземлением. Представьте, что трос является коньком двускатной крыши.
Тогда область под этой виртуальной крышей будет находиться под защитой от ударов молний. Таким образом, натянув над крышей дома и прилегающей территорией несколько тросов можно обеспечить надежную молниезащиту.
Токопроводы представляют собой оцинкованные или омедненные стальные провода диаметром 10 мм, часто применяют и стальные полосы сечением 40х4 мм покрытые цинком или медью. Они соединяют молниеприемники с заземлителем.
В комплект молниезащиты входят и держатели молниеприемников и токопроводов. Они выполняются из стальных и пластиковых материалов, имеют многообразные конструкции.
Расположение заземлителей
Заземление молниеотводов, в самом простом случае, представляет собой три трехметровых металлических стержня вбитых в землю на расстоянии 5 метров друг от друга. Между собой заземляющие штыри соединяются стальной полосой расположенной на глубине 50-70 см под землей.
Соединение производится методом сварки, которые затем покрываются антикоррозионным покрытием. В местах расположения штырей на поверхность должны выходить стержни для того, чтобы можно было присоединить токопроводы.
Заземление должно располагаться на расстоянии не менее 1 метра от сооружения и более 5 метров от крыльца, дорожек и других мест постоянного хождения людей. Это необходимо для того, чтобы человек не попал под шаговое напряжение, образующееся при растекании заряда молнии от заземлителя по земле.
Если здание имеет массивный железобетонный фундамент, то заземление молниезащиты рекомендуется располагать подальше от него и монтировать внутреннюю молниезащиту в виде грозоразрядников для защиты аппаратуры. Это необходимо из-за заброса части заряда на фундамент и все элементы, имеющие с ним хороший контакт, в первую очередь корпуса оборудования, инженерные коммуникации.
Требования к сопротивлению
Контур заземления дома должен быть соединен с заземлением молниезащиты через стальные проводники, которые сваривают между собой. Сопротивление заземления должно быть как можно меньше. Нормативное значение составляет 10 Ом для грунтов с удельным сопротивлением до 500 Ом, но при больших его значениях допускается иное сопротивление, которое вычисляется по формуле:
Rз – сопротивление заземлителя, а ρ – удельное сопротивление грунта.
Для достижения нормативного значения иногда заменяется грунт. Выкапывается траншея, закладывается новый грунт с соответствующими характеристиками, и после этого монтируется заземление. Другой вариант заключается в добавлении химических реагентов.
После установки заземления молниезащиты необходимо регулярно замерять его сопротивление. Если оно выходит за пределы нормативного значения, то придется добавить штырь или заменить на новый.
При этом нужно уделять пристальное внимание соединениям между элементами устройства. Использование нержавеющих материалов значительно увеличит срок службы заземлителя.
3.1. Опоры стержневых молниеотводов должны быть рассчитаны на механическую прочность как свободно стоящие конструкции, а опоры тросовых молниеотводов - с учетом натяжения троса и действия на него ветровой и гололедной нагрузок.
3.2. Опоры отдельно стоящих молниеотводов могут выполняться из стали любой марки, железобетона или дерева.
3.3. Стержневые молниеприемники должны быть изготовлены из стали любой марки сечением не менее 100 мм 2 и длиной не менее 200 мм и защищены от коррозии оцинкованием, лужением или окраской.
Тросовые молниеприемники должны быть выполнены из стальных многопроволочных канатов сечением не менее 35 мм 2 .
3.4. Соединения молниеприемников с токоотводами и токоотводов с заземлителями должны выполняться, как правило, сваркой, а при недопустимости огневых работ разрешается выполнение болтовых соединений с переходным сопротивлением не более 0,05 Ом при обязательном ежегодном контроле последнего перед началом грозового сезона.
3.5. Токоотводы, соединяющие молниеприемники всех видов с заземлителями, следует выполнять из стали размерами не менее указанных в табл. 3.
3.6. При установке молниеотводов на защищаемом объекте и невозможности использования в качестве токоотводов металлических конструкций здания (см. п. 2.12) токоотводы должны быть проложены к заземлителям по наружным стенам здания кратчайшими путями.
3.7. Допускается использование любых конструкций железобетонных фундаментов зданий и сооружений (свайных, ленточных и т.п.) в качестве естественных заземлителей молниезащиты (с учетом требований п. 1.8).
Допустимые размеры одиночных конструкций железобетонных фундаментов, используемых в качестве заземлителей, приведены в табл. 2.
ПРИЛОЖЕНИЕ 1
ОСНОВНЫЕ ТЕРМИНЫ
1. Прямой удар молнии (поражение молнией) - непосредственный контакт канала молнии с зданием или сооружением, сопровождающийся протеканием через него тока молнии.
2. Вторичное проявление молнии - наведение потенциалов на металлических элементах конструкции, оборудования, в незамкнутых металлических контурах, вызванное близкими разрядами молнии и создающее опасность искрения внутри защищаемого объекта.
3. Занос высокого потенциала - перенесение в защищаемое здание или сооружение по протяженным металлическим коммуникациям (подземным, наземным и надземным трубопроводам, кабелям и т.п.) электрических потенциалов, возникающих при прямых и близких ударах молнии и создающих опасность искрения внутри защищаемого объекта.
4. Молниеотвод - устройство, воспринимающее удар молнии и отводящее ее ток в землю.
В общем случае молниеотвод состоит из опоры; молниеприемника, непосредственно воспринимающего удар молнии; токоотвода, по которому ток молнии передается в землю; заземлителя, обеспечивающего растекание тока молнии в земле.
В некоторых случаях функции опоры, молниеприемника и токоотвода совмещаются, например при использовании в качестве молниеотвода металлических труб или ферм.
5. Зона защиты молниеотвода - пространство, внутри которого здание или сооружение защищено от прямых ударов молнии с надежностью не ниже определенного значения. Наименьшей и постоянной надежностью обладает поверхность зоны защиты; в глубине зоны защиты надежность выше, чем на ее поверхности.
Зона защиты типа А обладает надежностью 99,5% и выше, а тина Б - 95 % и выше.
6. Конструктивно молниеотводы разделяются на следующие виды:
стержневые - с вертикальным расположением молниеприемника;
тросовые (протяженные) - с горизонтальным расположением молниеприемника, закрепленного на двух заземленных опорах;
сетки - многократные горизонтальные молниеприемники, пересекающиеся под прямым углом и укладываемые на защищаемого объекта.
7. Отдельно стоящие молниеотводы - это те, опоры которых установлены на земле на некотором удалении от защищаемого объекта.
8. Одиночный молниеотвод - это единичная конструкция стержневого или тросового молниеотвода.
9. Двойной (многократный) молниеотвод - это два (или более) стержневых или тросовых молниеотвода, образующих общую зону защиты.
10. Заземлитель молниезащиты - один или несколько заглубленных в землю проводников, предназначенных для отвода в землю токов молнии или ограничения перенапряжений, возникающих на металлических корпусах, оборудовании, коммуникациях при близких разрядах молнии. Заземлители делятся на естественные и искусственные.
11. Естественные заземлители - заглубленные в землю металлические и железобетонные конструкции зданий и сооружений.
12. Искусственные заземлители - специально проложенные в земле контуры из полосовой или круглой стали; сосредоточенные конструкции, состоящие из вертикальных и горизонтальных проводников.
ПРИЛОЖЕНИЕ 2
ХАРАКТЕРИСТИКИ ИНТЕНСИВНОСТИ ГРОЗОВОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ И ГРОЗОПОРАЖАЕМОСТИ ЗДАНИЙ И СООРУЖЕНИЙ
Среднегодовая продолжительность гроз в часах в произвольном пункте на территории СССР определяется по карте (рис. 3), или по утвержденным для некоторых областей СССР региональным картам продолжительности гроз, или по средним многолетним (порядка 10 лет) данным метеостанции, ближайшей от места нахождения здания или сооружения.
Подсчет ожидаемого количества N поражений молнией в год производится по формулам:
для сосредоточенных зданий и сооружений (дымовые трубы, вышки, башни)
для зданий и сооружений прямоугольной формы
где h - наибольшая высота здания или сооружения, м; S, L - соответственно ширина и длина здания или сооружения, м; n - среднегодовое число ударов молнии в 1 км земной поверхности (удельная плотность, ударов молнии в землю) в месте нахождения здания или сооружения.
Для зданий и сооружений сложной конфигурации в качестве S и L рассматриваются ширина и длина наименьшего прямоугольника, в который может быть вписано здание или сооружение в плане.
Для произвольного пункта на территории СССР удельная плотность ударов молнии в землю n определяется исходя из среднегодовой продолжительности гроз в часах следующим образом:
Рис. 3. Карта средней за год продолжительности гроз в часах для территории СССР
ПРИЛОЖЕНИЕ 3
ЗОНЫ ЗАЩИТЫ МОЛНИЕОТВОДОВ
1. Одиночный стержневой молниеотвод.
Зона защиты одиночного стержневого молниеотвода высотой h представляет собой круговой конус (рис. П3.1), вершина которого находится на высоте h 0 1.1. Зоны защиты одиночных стержневых молниеотводов высотой h£150 м имеют следующие габаритные размеры. Зона A: h 0 = 0,85h, r 0 = (1,1 - 0,002h)h, r x = (1,1 - 0,002h)(h - h x /0,85). Зона Б: h 0 = 0,92h; r x =1,5(h - h x /0,92). Для зоны Б высота одиночного стержневого молниеотвода при известных значениях h и может быть определена по формуле h = (r x + 1,63h x)/1,5. Рис. П3.1. Зона защиты одиночного стержневого молниеотвода: I - граница зоны защиты на уровне h x , 2 -то же на уровне земли 1.2. Зоны защиты одиночных стержневых молниеотводов высоток 150 < h < 600 м имеют следующие габаритные размеры. 2. Двойной стержневой молниеотвод. 2.1. Зона защиты двойного стержневого молниеотвода высотой h£150 м представлена на рис. П3.2. Торцевые области зоны защиты определяются как зоны одиночных стержневых молниеотводов, габаритные размеры которых h 0 , r 0 , r x1 , r x 2 определяются по формулам п. 1.1 настоящего приложения для обоих типов зон защиты. Рис. П3.2. Зона защиты двойного стержневого молниеотвода: 1 - граница зоны защиты на уровне h x 1 ; 2 -то же на уровне h x 2 , 3 -то же на уровне земли Внутренние области зон защиты двойного стержневого молниеотвода имеют следующие габаритные размеры. при 2h < L £ 4h При расстоянии между стержневыми молниеотводами L > при h < L £ 6h При расстоянии между стрежневыми молниеотводами L > 6h для построения зоны Б молниеотводы следует рассматривать как одиночные. При известных значениях h c и L (при r cx = 0) высота молниеотвода для зоны Б определяется по формуле h = (h c + 0,14L) / l,06. 2.2. Зона защиты двух стержневых молниеотводов разной высоты h 1 , и h 2 £ 150 м приведена на рис. ПЗ.З. Габаритные размеры торцевых областей зон защиты h 01 , h 02 , r 01 , r 02 , r x 1 , r x 2 определяются по формулам п. 1.1, как для зон защиты обоих типов одиночного стержневого молниеотвода. Габаритные размеры внутренней области зоны защиты определяются по формулам: где значения h c 1 и h c 2 вычисляются по формулам для h c п. 2.1 настоящего приложения. Для двух молниеотводов разной высоты построение зоны А двойного стержневого молниеотвода выполняется при L £ 4h min , а зоны Б - при L £ 6h min . При соответствующих больших расстояниях между молниеотводами они рассматриваются как одиночные. Рис. ПЗ.З Зона зашиты двух стержневых молниеотводов разной высоты. Обозначения те же, что и на рис. П3.1 3. Многократный стержневой молниеотвод. Зона защиты многократного стержневого молниеотвода (рис. П3.4) определяется как зона защиты попарно взятых соседних стержневых молниеотводов высотой h £ 150 м (см. пп. 2.1, 2.2 настоящего приложения). Рис. П3.4. Зона защиты (в плане) многократного стержневого молниеотвода. Обозначения те же, что и на рис. П3.1 Основным условием защищенности одного или нескольких объектов высотой h x с надежностью, соответствующей надежности зоны А и зоны Б, является выполнение неравенства r cx > 0 для всех попарно взятых молниеотводов. В противном случае построение зон защиты должно быть выполнено для одиночных или двойных стержневых молниеотводов в зависимости от выполнения условий п. 2 настоящего приложения. 4. Одиночный тросовый молниеотвод. Зона защиты одиночного тросового молниеотвода высотой h£150 м приведена на рис. П3.5, где h - высота троса в середине пролета. С учетом стрелы провеса троса сечением 35-50 мм 2 при известной высоте опор h оп и длине пролета а
высота троса (в метрах) определяется: h = h оп - 2 при а< 120 м; h = h оп - 3 при 120 < а< 15Ом. Рис. П3.5. Зона защиты одиночного тросового молниеотвода. Обозначения те же, что и на рис. П3.1 Зоны защиты одиночного тросового молниеотвода имеют следующие габаритные размеры. Для зоны типа Б высота одиночного тросового молниеотвода при известных значениях h x и r x определяется по формуле 5. Двойной тросовый молниеотвод. 5.1. Зона защиты двойного тросового молниеотвода высотой h£150 м приведена на рис. П3.6. Размеры r 0 , h 0 , r x для зон защиты А и Б определяются по соответствующим формулам п. 4 настоящего приложения. Остальные размеры зон определяются следующим образом. Рис. ПЗ.6. Зона защиты двойного тросового молниеотвода. Обозначения те же, 410 и на рис. П3.2 при h < L £ 2h при 2h < L £ 4h При расстоянии между тросовыми молниеотводами L > 4h для построения зоны А молниеотводы следует рассматривать как одиночные. при h < L £ 6h При расстоянии между тросовыми молниеотводами L > 6h для построения зоны Б молниеотводы следует рассматривать как одиночные. При известных значениях h c и L (при r cx = 0) высота тросового молниеотвода для зоны Б определяется по формуле h = (h c + 0,12L)/1,06. Рис. П3.7. Зона защиты двух тросовых молниеотводов разной высоты 5.2. Зона защиты двух тросов разной высоты h 1 и h 2 приведена на рис. П3.7. Значения r 01 , r 02 , h 01 , h 02 , r x1 , r x 2 определяются по формулам п. 4 настоящего приложения как для одиночного тросового молниеотвода. Для определения размеров r c и h с используются формулы: где h c 1 и h c 2 вычисляются по формулам для h c П.5.1 настоящего приложения. ПРИЛОЖЕНИЕ 4 ПОСОБИЕ К "ИНСТРУКЦИИ ПО УСТРОЙСТВУ МОЛНИЕЗАЩИТЫ ЗДАНИЙ И СООРУЖЕНИЙ" (РД34.21.122-87) Настоящее пособие ставит задачей пояснить и конкретизировать основные положения РД 3421.122-87, а также ознакомить специалистов, занятых разработкой и проектированием молниезащиты различных объектов, с существующими представлениями о развитии молнии и ее параметрах, определяющих опасные воздействия на человека и материальные ценности. Приводятся примеры исполнения молниезащиты зданий и сооружений различных категорий в соответствии с требованиями РД 34.21.122-87. 1. КРАТКИЕ СВЕДЕНИЯ О РАЗРЯДАХ МОЛНИИ И ИХ ПАРАМЕТРАХ Молния представляет собой электрический разряд длиной в несколько километров, развивающийся между грозовым облаком и землей или каким-либо наземным сооружением. Разряд молнии начинается с развития лидера - слабо светящегося 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. Данные о нисходящих молниях накапливались продолжительное время в нескольких регионах земного шара. Сведения о восходящих молниях появились лишь в последние десятилетия, когда начались систематические наблюдения за грозопоражаемостью очень высоких сооружений, например Останкинской телевизионной башни. 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. Восходящие лидеры возбуждаются с высоких заземленных сооружений, у вершин которых электрическое поле во время грозы резко усиливается. Сам факт появления и устойчивого развития восходящего лидера определяет место поражения. На равнинной местности восходящие молнии поражают объекты высотой более 150 м, а в горных районах возбуждаются с остроконечных элементов рельефа и сооружении меньшей высоты и потому наблюдаются чаще. Рассмотрим сначала процесс развития и параметры нисходящей молнии. После установления сквозного лидерного канала следует главная стадия разряда - быстрая нейтрализация зарядов лидера, сопровождающаяся ярким свечением и нарастанием тока до пиковых значений, варьирующихся от единиц до сотен килоампер. При этом происходит интенсивный разогрев канала (до десятков тысяч кельвин) и его ударное расширение, воспринимаемое на слух как раскат грома. Ток главной стадии состоит из одного или нескольких последовательных импульсов, наложенных на непрерывную составляющую. Большинство импульсов тока имеет отрицательную полярность. Первый импульс при общей длительности в несколько сотен микросекунд имеет длину фронта от 3 до 20 мкс; пиковое значение тока (амплитуда) варьируется в широких пределах: в 50% случаев (средний ток) превышает 30, а в 1-2% случаев 100 кА. Примерно в 70% нисходящих отрицательных молний за первым импульсом наблюдаются последующие с меньшими амплитудами и длиной фронта: средние значения соответственно 12 кА и 0,6 мкс. При этом крутизна (скорость нарастания) тока на фронте последующих импульсов выше, чем для первого импульса. Ток непрерывной составляющей нисходящей молнии варьируется от единиц до сотен ампер и существует на протяжении всей вспышки, продолжающейся в среднем 0,2 с, а в редких случаях 1-1,5 с. Заряд, переносимый в течение всей вспышки молнии, колеблется от единиц до сотен кулон, из которых на долю отдельных импульсов приходится 5-15, а на непрерывную составляющую 10-20 Кл. Нисходящие молнии с положительными импульсами тока наблюдаются примерно в 10% случаев. Часть из них имеет форму, аналогичную форме отрицательных импульсов. Кроме того, зарегистрированы положительные импульсы с существенно большими параметрами: длительностью около 1000 мкс, длиной фронта около 100 мкс и переносимым зарядом в среднем 35 Кл. Для них характерны вариации амплитуд тока в очень широких пределах: при среднем токе 35 кА в 1-2% случаев возможно появление амплитуд свыше 500 кА. Накопленные фактические данные о параметрах нисходящих молний не позволяют судить об их различиях в разных географических регионах. Поэтому для всей территории СССР их вероятностные характеристики приняты одинаковыми. Восходящая молния развивается следующим образом. После того как восходящий лидер достиг грозового облака, начинается процесс разряда, сопровождающийся примерно в 80% случаев токами отрицательной полярности. Наблюдаются токи двух типов: первый - непрерывный безымпульсный до нескольких сотен ампер и длительностью в десятые доли секунды, переносящий заряд 2-20 Кл; второй характеризуется наложением на длительную безымпульсную составляющую коротких импульсов, амплитуда которых в среднем составляет 10-12 кА и лишь в 5 % случаев превышает 30 кА, а переносимый заряд достигает 40 Кл. Эти импульсы сходны с последующими импульсами главной стадии нисходящей отрицательной молнии. В горной местности восходящие молнии характеризуются более длительными непрерывными токами и большими переносимыми зарядами, чем на равнине. В то же время вариации импульсных составляющих тока в горах и на равнине отличаются мало. На сегодняшний день не выявлена связь между токами восходящей молнии и высотой сооружений, с которых они возбуждаются. Поэтому параметры восходящих молний и их вариации оцениваются как одинаковые для любых географических регионов и высот объектов. В РД 34.21.122-87 данные о параметрах токов молнии учтены в требованиях к конструкциям и размерам средств молниезащиты. Например, минимально допустимые расстояния от молниеотводов и их заземлителей до объектов I категории (пп. 2.3-2.5 *) определены из условия поражения молниеотводов нисходящими молниями с амплитудой и крутизной фронта тока в пределах соответственно 100 кА и 50 кА/мкс. Этому условию соответствует не менее 99% случаев поражения нисходящими молниями. Средством защиты
от прямых ударов молнии служит молниеотвод
– устройство, рассчитанное на
непосредственный контакт с каналом
молнии и отводящее ее ток в землю. Здания
и сооружения от прямых ударов защищают
молниеотводами, каждый из которых
конструктивно состоит из молниеприемника,
непосредственно воспринимающего удар
молнии, токоотвода, соединяющего
молниеприемник с заземлителем, и
заземлителя, через который ток молнии
стекает в землю. Вертикальная конструкция
(столб, мачта) или часть сооружения,
предназначенная для закрепления
молниеприемника и токоотвода, называется
опорой молниеотвода. Опоры
стержневых и тросовых молниеотводов,
как отдельно стоящих, так и устанавливаемых
на защищаемом объекте, могут быть
деревянными, металлическими и
железобетонными (рис. 8.9). Деревянная
опора
обычно
состоит из основной стойки и пасынков,
выполненных из дерева или железобетона
(последние предпочтительнее). Деревянные
части, особенно подземные, антисептируют.
Высота такого молниеотвода редко
превышает 25 м. В землю опора зарывается
на 0,1–0,2 ее полной высоты в зависимости
от грунта. Для опор используют древесину
хвойной породы (сосна, лиственница, ель,
пихта). Диаметр бревна в верхнем срубе
должен быть не менее 100 мм. Опоры
высотой более 8-10 м выполняют на одном
или двух пасынках (рис. 8.9, а
),
высота которых зависит от высоты
молниеотвода. Для увеличения срока
службы деревянных опор рекомендуется
применять железобетонные пасынки,
особенно в грунтах, где процесс гниения
наиболее интенсивен (в суглинках).
Железобетонные пасынки изготовляют из
бетона марки не ниже М200, армированного
круглой сталью марки Ст 3 или Ст 5. В
поперечнике пасынки могут быть
прямоугольного двутаврового, круглого
и других сечений. Рис. 8.9. Конструкции
стержневых молниеотводов и молниеприемников: а
– на деревянной
опоре;б
– металлический решетчатый
типа М-25;в
– на железобетонной
опоре;г
– молниеприемник из
металлических труб, установленных на
крыше;1
– опора (стойка);2
–
молниеприемник;3
– подножник;4
– токопровод (спуск);5
– фланец;6
– оттяжка Металлическую
опору
для
молниеотвода высотой 20-75 м (рис. 8.9, б
)
чаще всего выполняют в виде жесткой
решетчатой конструкции. Ее устанавливают
на четырех железобетонных подножниках,
наверху к ней приваривают молниеприемник
и предохраняют от коррозии регулярной
окраской. Такой молниеотвод не требует
специального токоотвода, так как сам
хорошо проводит ток. Железобетонные
опоры
могут
быть различной формы (рис. 8.9, в
),
арматура в них частично или полностью
предварительно напряженная. Бетон может
быть вибрированным или центрифугированным.
На вершине опоры устанавливают
молниеприемник и соединяют с токоотводом,
который прокладывают по опоре. В некоторых
случаях молниеприемник соединяют с
арматурой, используемой в качестве
токоотвода. Но именно эти места оказываются
нередко ненадежными, так как требуется
либо вывод части арматуры наружу, либо
пропуск в нее соединительных проводников.
На этих участках постепенно начинается
разрушение, особенно в прибрежных
районах морей. Железобетонные опоры
экономически более выгодны, они проще
в эксплуатации и долговечны. Опоры
стержневых молниеотводов должны быть
рассчитаны на механическую прочность
как свободно стоящие конструкции, а
опоры тросовых молниеотводов – с учетом
натяжения троса и действия на него
ветровой и гололедной нагрузки. Молниеотводы,
устанавливаемые на сооружении, делятся
на настенные
и кровельные
.
Первые применяют чаще, их молниеприемники
изготавливают из трубы или угловой
стали и закрепляют посредством скоб,
хомутов или кронштейнов. Молниеприемники
кровельные (рис. 8.9, г
)
чаще всего выполняют из труб разного
диаметра и снабжают фланцами для
крепления к крыше при помощи болтов.
Дополнительная устойчивость достигается
посредством оттяжек из полосовой или
угловой стали. Высота таких молниеприемников
колеблется от 5 до 10 м. Опорами стержневых
молниеотводов могут служить стволы
деревьев, растущих вблизи защищаемых
зданий и сооружений. При этом если дерево
находится на расстоянии менее 5 м от
зданий и сооружений III,
IV
и V
степени огнестойкости (II
и III
категория молниезащиты), то необходимо
по стене защищаемого здания против
ствола проложить токоотвод и присоединить
под землей к заземлителю или же от
молниеприемника токоотвод перебросить
на другое дерево, на отдельную стойку,
отстоящие от здания более чем на 5 м.
Если дерево невысокое, то на него
устанавливают шест с молниеприемником,
это удешевляет молниезащиту. Кроме
того, деревья создают дополнительное
экранирование от заряженного облака. Для
тросовых молниеотводов можно использовать
те же опоры, но требуется иногда повышать
их устойчивость оттяжками или подкосами.
Выбор того или иного материала опор
обуславливается в основном необходимой
высотой молниеотводов, расчетными
механическими нагрузками, а также
экономическими соображениями. Следует
также учитывать их сочетание с архитектурой
защищаемого объекта, климатическими
условиями. Молниеприемники
стержневые, тросовые и в виде сетки
непосредственно воспринимают прямой
удар молнии и должны выдерживать ее
термическое и динамическое воздействия,
быть надежными в эксплуатации. Стержневые
молниеприемники изготовляются из
покрытой антикоррозийной защитой
(оцинкование, лужение, покраска) круглой
и угловой стали или из некондиционных
водогазопроводных труб. Конец трубы
сплющивают или надежно закрывают
металлической пробкой. Наименьшее
сечение молниеприемника должно быть
100 мм 2
(это позволяет выдержать термические
и динамические воздействия тока молнии),
а длина не менее 200 мм. В
качестве молниеприемников можно
использовать дымовые, выхлопные и другие
металлические трубы объекта, дефлекторы
(если они не выбрасывают горючие пары
и газы), кровлю и другие металлические
элементы сооружений. Применяют
молниеприемники и в виде сетки, сваренной
из круглой стали диаметром 6-8 мм или
полосовой стали сечением не менее 48
мм 2 ,
уложенных на кровлю под гидро- или
теплоизоляцию (если они несгораемые).
Это не затруднит отток воды с кровли и
очистку от снега. Шаг ячейки берут 66
м для зданий II
категории, а для зданий III
- 1212
м. Однако
укладка сеток рациональна лишь в зданиях
с горизонтальными крышами, где
равновероятно поражение молнией любого
их участка. При больших уклонах крыши
наиболее вероятны удары молнии вблизи
ее конька, и в этих участках укладка
сетки по всей поверхности кровли приведет
к неоправданным затратам металла. В
этом случае более экономичен вариант
установки стержневых или тросовых
молниеприемников, в зону защиты которых
входит весь объект. По этой причине
укладка молниеприемной сетки рекомендуется
на неметаллических кровлях с уклоном
не более 1:8. Иногда
возвышающиеся элементы кровли снабжают
молниеприемниками, соединенными с
сеткой посредством сварки. На деревьях
молниеприемником может служить
выступающий конец токоотвода в виде
петли на участке до 400 мм от верхней
точки. Тросовый молниеприемник выполняют
из стального многопроволочного и только
оцинкованного троса диаметром до 7 мм
(сечение не менее 35 мм 2). Токоотводы
молниеотводов применяют для соединения
молниеприемников с заземлителями из
стали любого профиля. Их рассчитывают
на пропускание полного тока молнии без
нарушений и существенного перегрева.
Они должны быть оцинкованы, пролужены
или окрашены для предупреждения коррозии.
Не рекомендуется применять многопроволочный
стальной трос, если у него не оцинкована
каждая нить. Наименьшее сечение
токоотводов, выполненных из угловой и
полосовой стали и расположенных вне
сооружения на воздухе, равно 48 мм 2 ,
для расположенных внутри – 24 мм 2 ,
а круглые токоотводы должны иметь
наименьший диаметр 6 мм. Токоотводами
могут служить арматура железобетонных
конструкций, направляющие лифтов,
пожарные лестницы, водопроводные,
водосточные и канализационные трубы,
колонны, стенки резервуаров, электрически
надежно связанные по всей длине. С Заземляющие
устройства
являются важнейшим элементом в комплексе
средств обеспечения защиты объектов
от прямого удара молнии, заноса высоких
потенциалов по коммуникациям и
электростатической индукции. Основной
частью их являются собственно заземлители,
находящиеся в достаточно хорошо
проводящей среде. Заземлитель
молниезащиты
– один или несколько заглубленных в
землю проводников, предназначенных для
отвода в землю токов молнии или ограничения
перенапряжений, возникающих на
металлических корпусах, коммуникациях
при близких разрядах молнии. Они бывают
одиночными
(простыми) или сложными (комбинированными).
К первым относятся трубы, электроды из
круглой, полосовой, угловой и листовой
стали, железобетонные подножки и сваи,
а сложные образуются из комбинаций
простых. Одиночные делятся на
сосредоточенные и протяженные. У первых
потенциал практически по длине не
изменяется, у вторых потенциалы начала
и конца отличаются друг от друга
вследствие большой длины электродов,
малого их сечения, высокого удельного
сопротивления материалов или высокой
удельной проводимости грунта. Рис.
8.11. Зажим для присоединения плоского
(а
)
и круглого (б
)
токоотводов к металлической кровле: 1
– токоотвод;2
– кровля;3
– свинцовая прокладка;4
– стальная пластина;5
–
пластина с приваренным токоотводом Еще
различают искусственные
и естественные
заземлители. Искусственные
заземлители – специально проложенные
в земле контуры из полосовой или круглой
стали, сосредоточенные конструкции,
состоящие из вертикальных и горизонтальных
проводников. Естественные
заземлители – заглубленные в землю
металлические и железобетонные
конструкции зданий и сооружений. Заземлители
могут быть поверхностными
и углубленными
.
Последние обычно изготовляют из круглой
или полосовой стали и укладывают в
глубокие котлованы или траншеи, чаще
всего по периметру фундамента, если
последний не может быть использован в
качестве естественного заземлителя.
Наконец, существуют вертикальные
заземлители (обычно стержни из круглой
или угловой стали и трубы, железобетонные
подножники и сваи, забиваемые в землю,
реже – стальные круглые стержни,
ввинченные в грунт) и горизонтальные,
изготовленные из любой профильной
стали, закапываемые неглубоко в грунт. Вертикальные
заземлители более эффективны, так как
большая их часть располагается во
влажных и менее промерзающих слоях
почвы. Их длину берут от 2 до 5 м и применяют
в глинистых или смешанных грунтах с
удельным сопротивлением
менее 300 Омм
и при сравнительно высоком уровне
грунтовых вод. Если же верхние слои
почвы обладают высоким
и этот уровень низок, то длину электродов
увеличивают до 4-6 м. Наиболее употребительны
и удобны заземлители из круглой стали
диаметром 12-30 мм, угловой с шириной полок
40-50 мм, толщиной не менее 4 мм и трубы
(чаще всего некондиционные или непригодные
к дальнейшему использованию по назначению)
с наружным диаметром 25-60 мм и толщиной
стенки не менее 3,5 мм. Верхний конец
вертикальных заземлителей располагают
от поверхности земли на 0,5-1 м. На этом
уровне высыхание или промерзание грунта
затруднено. Горизонтальные
заземлители используют в грунтах с
длительно влажными верхними слоями,
где трудно забивать вертикальные
электроды (гористая местность, районы
вечной мерзлоты). Если грунт обладает
плохой проводимостью (песок), то траншею
для горизонтальных заземлителей
заполняют другим грунтом, удобренным
солями или их растворами. Для электродов
берут преимущественно полосовую сталь
сечением не менее 160 мм 2
(404
мм) и реже круглую сталь эквивалентного
сечения. Электроды укладывают на глубину
0,6-0,8 м в виде одного или нескольких
симметричных лучей, длина каждого из
них, считая от токоотвода, обычно не
превышает 25-30 м. Чем больше удельное
сопротивление грунта, тем больше длина
луча и их число. Электроды любого типа
соединяют между собой и с токоотводами
только сваркой. Конструкция
заземлителя зависит от типа молниеотвода,
т.е. отдельно стоящего или установленного
на здании. При
отдельно стоящих молниеотводах
приемлемыми, без расчета их импульсного
сопротивления растеканию тока молнии
r
и,
являются типовые конструкции заземлителей,
приведенные в табл. 8.1 (см. также ). При
расположении молниеотвода на защищаемом
здании в качестве заземлителей
рекомендуется широко использовать
железобетонные фундаменты зданий и
сооружений. Таблица 8.1 Заземлитель Размеры, м Железобетонный
подножник a
1,8 b
0,4 l
2,2 Железобетонная
свая d
= 0,250,4 l
5 Стальной
двухстержневой: полоса размером 404
мм стержни диаметром d
= 1020 мм t
0,5 l
= 35 c
= 35 Стальной
трехстержневой: полоса размером 40 х
4 мм стержни диаметром d
= 10 20
мм t
0,5 l
= 35 Металлические
и железобетонные конструкции зданий I
категории по устройству молниезащиты
могут быть использованы только для
защитного заземления электроустановок
и защиты от вторичных воздействий
молнии. Для зданий II
и III
категории металлические и железобетонные
конструкции используются и для защиты
от прямых ударов молнии. Устройство
молниезащиты зданий в железобетонном
исполнении включает молниеприемную
сетку, соединяемую сваркой с арматурой
всех колонн. Ток
молнии через нее
попадает на арматуру колонн, затем
стекает на арматуру фундамента и через
защитный слой бетона – в землю. Основанием
для использования арматуры железобетонных
фундаментов в качестве заземлителей
являются свойства бетона во влажном
состоянии иметь проводимость, сопоставимую
с проводимостью грунта, окружающего
фундамент. При этом выполняются условия
сохранения несущей способности здания
и исключаются условия разрушения
арматурных стержней и бетона от
электрической коррозии, что обеспечивается
уменьшением плотности тока, стекающего
с арматуры фундамента, и ограничением
его стекания через бетон в надземных
конструкциях. Указанные меры включают
объединение в единую систему всех
железобетонных (или металлических)
конструкций, соединение с помощью сварки
всех элементов арматурного каркаса и
создание непрерывной электрической
цепи по арматуре. Битумные и
битумно-латексные покрытия фундаментов
не являются препятствием для использования
их в качестве заземлителей. В
средне- и сильноагрессивных грунтах,
где защита железобетона от коррозии
выполняется эпоксидными и другими
полимерными покрытиями, а также при
влажности грунта менее 3 % использовать
железобетонные фундаменты в качестве
заземлителей не допускается. При
использовании в качестве заземляющих
устройств все элементы металлических
и железобетонных конструкций (фундаменты,
колонны, фермы, стропильные, подстропильные
и подкрановые балки) должны образовывать
непрерывную электрическую цепь по
металлу, а в железобетонных элементах
(колоннах) дополнительно должны
предусматриваться закладные детали
(изделия) для присоединения
электротехнического и технологического
оборудования. В
качестве заземлителей молниезащиты
допускается использовать все рекомендуемые
ПУЭ заземлители электроустановок, за
исключением нулевых проводов воздушных
линий электропередачи напряжением до
1 кВ. Нормирование
заземлителей молниезащиты.
Принятый в инструкции подход к
нормированию и выбору заземлителей
молниезащиты зданий и сооружений
учитывает, что одним из эффективных
способов ограничения грозовых
перенапряжений в цепи молниеотвода, а
также на металлических конструкциях и
оборудовании объекта является обеспечение
низких сопротивлений заземлителей
растеканию в земле токов молнии. Поэтому
при выборе молниезащиты нормированию
подлежит сопротивление заземлителя
или другие его характеристики, связанные
с его сопротивлением. До
введения в нормативную практику для
заземлителей молниезащиты нормировалось
импульсное r
и
сопротивление растеканию токов молнии:
его максимально допустимое значение
было принято равным 10 Ом для зданий
и сооружений I
и II
категорий и 20 Ом для зданий и сооружений
III
категории. При этом допускалось увеличение
импульсного сопротивления до 40 Ом в
грунтах с удельным сопротивлением более
500 Омм
при одновременном удалении молниеотводов
от объектов I
категории на расстояние, гарантирующее
от пробоя по воздуху и в земле. Для
наружных установок максимально допустимое
импульсное сопротивление было принято
не более 50 Ом. Импульсное
сопротивление заземлителя является
количественной характеристикой сложных
физических процессов при растекании в
земле токов молнии. Его значение
отличается от сопротивления заземлителя
при растекании токов промышленной
частоты и зависит от нескольких параметров
тока молнии (амплитуда, крутизна, длина
фронта), варьирующихся в широких пределах.
С увеличением тока молнии импульсное
сопротивление заземлителя падает,
причем в возможном интервале распределение
токов молнии (от единиц до сотен килоампер)
его значение может уменьшаться в 2-5 раз. Поскольку
при проектировании заземлителя нельзя
предсказать значения токов молнии,
которые будут через него растекаться,
то, следовательно, невозможно оценить
наперед соответствующие значения
импульсных сопротивлений. С учетом этих
условий нормирование заземлителей по
их импульсному сопротивлению имеет
очевидные неудобства. Разумнее выбирать
конкретные конструкции (см. табл. 8.1) по
следующему условию: импульсные
сопротивления заземлителей во всем
возможном диапазоне токов молнии не
должны превышать указанных максимально
допустимых значений. Такое
нормирование было принято в инструкции
, где для ряда типовых конструкций
заземлителей (см. табл. 8.1) были подсчитаны
импульсные сопротивления при колебаниях
токов молнии от 5 до 100 кА и по результатам
расчетов проведен отбор заземлителей,
удовлетворяющих принятому условию. Наиболее
распространенными и рекомендуемыми
конструкциями заземлителей являются
железобетонные фундаменты. К ним
предъявляются дополнительные требования
- исключение механических разрушений
бетона при растекании через фундамент
токов молнии. Исследования показали,
что железобетонные конструкции
выдерживают большие плотности
растекающихся по арматуре токов молнии,
что связано с кратковременностью этого
растекания. Так, единичные железобетонные
фундаменты (сваи длиной не менее 5 или
подножники длиной не менее 2 м) способные
без разрушения выдерживать токи молнии
до 100 кА. Поэтому в табл. 8.1 заданы
допустимые размеры единичных железобетонных
заземлителей. Для фундаментов больших
размеров с соответственно большей
поверхностью арматуры опасная для
разрушения бетона плотность тока
маловероятна при любых возможных токах
молнии. Нормирование
параметров заземлителей по их типовым
конструкциям имеет ряд достоинств: оно
соответствует принятой в строительной
практике унификации железобетонных
фундаментов с учетом их повсеместного
использования в качестве естественных
заземлителей; при выборе молниезащиты
не требуется выполнять расчеты импульсных
сопротивлений заземлителей, что сокращает
затраты и объем проектных работ. Опасность
поражения током молнии.
При растекании тока с заземлителя или
с любого другого подземного металлического
предмета в грунте образуется потенциальное
(электрическое) поле. Распределение
потенциала на поверхности земли при
протекании тока молнии через трубчатый
заземлитель показано на рис. 8.12. Оно
зависит от геометрических размеров
электрода, способа его установки, но не
зависит от электрических свойств
однородного грунта. На небольших
удалениях от оси трубы потенциал
уменьшается резко, после чего уменьшение
делается более плавным. Считают, что на
расстоянии x
более
20 l
потенциал
на поверхности земли равен нулю.
Наибольший потенциал появляется на
самом заземлителе и он равен
Рис. 8.12. Изменение
потенциала на поверхности земли
у
заземлителя при растекании тока молнии Если
вблизи заземлителя будет находиться
человек и расстояние между его ступнями
равно S
,
то он подвергается действию шагового
напряжения U
ш,
равного разности потенциалов U
1
и
U
2
в точках 1
и 2
,
где находятся ступни. Это может быть
опасным для жизни. Еще более опасно,
если одна нога окажется непосредственно
на заземлителе или человек прикоснется
к заземлителю. Тогда он подвергается
большей разности потенциалов, равной
U
м -
U
3
, и называемой напряжением прикосновения
U
пр .
Снижения
шагового напряжения и напряжения
прикосновения можно добиться уменьшением
сопротивления r
и
до значения ниже 10 Ом, что довольно
трудно, и применением параллельно
включенных добавочных электродов,
выравнивающих потенциал внутри и вне
контура заземлителей. Рациональным
распределением вертикальных заземлителей,
расположенных по контуру или лучам, и
связывающих их горизонтальных электродов
можно добиться безопасного распределения
потенциала по любому направлению от
точки присоединения токоотвода. Для
безопасности рекомендуется ограждать
или во время грозы не допускать людей
к заземлителям ближе 5 м, располагать
эти заземлители дальше от дорог, тротуаров
или располагать под асфальтовым
покрытием. Молниеотвод представляет собой защитное устройство, в котором система проводников отводит электрический разряд в землю. Молниезащита - важнейший элемент обеспечения безопасности жильцов и имущества, находящихся в здании. При желании и наличии определенных знаний, вполне реально соорудить громоотвод своими руками. Система защиты от молнии состоит из трех компонентов: Схема устройства представлена на рисунке ниже. Функция приема разряда молнии возлагается на молниеприемник. По токоотводам электричество поступает в заземлительный контур, который передает разряд в грунт. Существует три разновидности молниеприемников: Также в качестве приемника может выступать сама крыша. Стержневой приемник представляет собой металлический штырь, установленный на станине (на кровле, рядом со зданием, на высоком дереве). С помощью токоотвода (проводника) штырь соединяется с заземлительным контуром. Для изготовления громоотводов применяют медь, алюминий или сталь.
Причем первая- оптимальный вариант с точки зрения качества защиты, а самые дешевые приемники производятся из стали. Сечение молниеприемника стержневого типа должно составлять не менее 35 кв. мм, если речь идет о меди, и 70 кв. мм - для стальных устройств. Длина штыря колеблется от 50 до 200 см. Стержневые приемники обычно выглядят эстетично, однако площадь их покрытия не слишком большая. Для расчета покрываемой территории от наивысшей точки штыря прочерчивают мысленную линию к уровню земли под углом 45 градусов. Защищенным является все пространство, оказавшееся в треугольнике по периметру. Ввиду маленькой зоны действия, стержневые громоотводы используют для защиты небольших домов, банных построек, гаражей и т.п. Обратите внимание! Молниезащиту можно как сделать своими руками, так и приобрести готовую. Сеточные молниеприемники выполняются в виде металлических сеток и представляют собой арматурный каркас с ячейками размером от 3 до 12 м. Толщина арматуры - в среднем 6 мм. Сетку размещают на определенной высоте над материалом кровли, оставляя зазор не менее 15 см. Наиболее подходящие объекты для применения сеточных систем - большие кровли (многоквартирные дома, торговые центры, промышленные и складские здания и т.п.). Тросовый приемник располагается на двух или четырех мачтах, связанных друг с другом проволокой из стали или алюминия. Трос протягивают по коньку крыши, используя деревянные бруски, которые выступают в качестве опор. Наименьший рекомендуемый диаметр троса - 5 мм. По сравнению со стержневыми описываемые устройства покрывают гораздо большую площадь. С точки зрения эффективности тросовые системы лучше, чем стержневые или сеточные приемники справляются с задачей защиты от молнии. Особенно распространены такие системы на шиферных кровлях. Иногда в качестве молниеприемника используют саму крышу.
Это возможно, когда кровля изготовлена из профнастила, металлической черепицы и любых других материалов, в основе которых есть металл. Существуют требования, которые дисквалифицируют конструкционный материал кровли, если его толщина меньше 4 мм (иначе возможно его прожигание молнией). Также не допускаются какие-либо горючие материалы, способные легко воспламениться. Для изготовления проводников применяют шестимиллиметровую медную, стальную или алюминиевую проволоку. Соединения с другими элементами системы - молниеприемником и заземлительным контуром - выполняют посредством болтов или сварных швов. Токоотвод нуждается в качественном изолировании от окружающей среды (подойдут кабель-каналы). Еще одно требование - выбор для токоотвода самого краткого пути от молниеприемника к заземлительному устройству. Заземлительный контур располагают неподалеку от здания. При этом выбирают место, находящееся вне прогулочной территории и поближе к какому-либо ограждению. Электрический заряд, поступающий к заземлительному контуру через токоотвод, через металлические стержни отводится в грунт. Стержни вкапывают в землю на глубину примерно 80-100 см. Их размещают таким образом, чтобы они при соединении формировали треугольник. Перед тем как сделать громоотвод необходимо провести подготовку. Причем по важности этот этап ничем не отличается от собственно процесса установки молниезащитной системы. Понадобится произвести расчеты согласно формуле, подобрать материалы и найти правильное место для установки молниезащиты.
Молниезащита - достаточно сложная и ответственная в силу выполняемых задач система. При ее планировании необходимы точные расчеты и оценка потенциальных рисков. В то же время необходимости в чрезмерно сложных математических вычислениях нет. Нужно лишь определить зону действия системы, исходя из формул. Для стержневого молниеотвода существуют коэффициенты, применяемые для расчета нужной высоты устройства. Используется такая формула: Она подходит для громоотводов высотой до полутора метров, что вполне достаточно для обеспечения защиты частного дома от ударов молнии. Для создания защитной системы понадобятся конструкционные материалы. Придется сделать выбор из стали, меди или алюминия. При этом площадь необходимого поперечного сечения будет отличаться, что продиктовано разным сопротивлением каждого вида из перечисленных металлов. Чтобы объяснить сказанное более наглядно, внизу приведена таблица, в которой указаны минимальные требования к компонентам молниезащиты, исходя из вида металла: Исходя из данных, представленных в таблице, оптимальный выбор материала - медь. Однако наиболее дешевым вариантом громоотвода, изготовленного своими руками, является сталь. Токоотвод отличается меньшим сечением в сравнении с другими компонентами защитной системы. Рекомендуется постепенно увеличивать его толщину от приемника к заземлительному контуру. Совет! При создании молниезащиты желательно применять один и тот же вид металла для всех элементов конструкции. Для изготовления молниезащиты необходимы такие материалы и инструменты: Громоотвод следует располагать на наиболее высокой точке из имеющихся на участке. При этом нужно помнить про защитную конусообразную зону. Громоотвод должен находиться в таком месте, чтобы здание полностью было покрыто защитой. Получается, что, чем более отдален громоотвод от дома, тем выше он должен быть. По финансовым соображениям предпочтительнее разместить молниеприемник на кровле здания. В этом случае не понадобится сооружение высокой опоры, которая к тому же вряд ли будет эстетически привлекательной. Совет! Не рекомендуется установка громоотвода в центральной части крыши. Лучше поставить приемник с краю кровли и зафиксировать его к стене. При таком подходе уменьшается риск попадания молнии в какую-либо часть кровли. Отдельный вопрос - правильное размещение заземлительного устройства. При ударе молнии высокомощный разряд проходит в землю и в этот момент рядом с заземлителем не должны находиться живые существа. Поэтому разработаны требования к минимальным расстояниям от заземления к стене дома - 1 м и до пешеходных дорожек - 5 м. Заземляющее устройство должно быть установлено в таком месте, где нет вероятности нахождения людей. К тому же, вокруг заземлителя следует установить ограждение и поставить рядом предупреждающий знак. Обратите внимание! Эффективная работа заземления возможна только во влажном грунте. Это нужно учитывать при выборе места для заземлительного контура. Если постоянно мокрый участок отсутствует, следует задуматься об искусственном орошении. Прежде всего нужно протянуть проволоку по коньку кровли. Она будет выступать в качестве приемника для молнии. Если крыша изготовлена из пожароопасных материалов (древесина, пластиковая черепица и т.п.), проволоку следует расположить на высоте не менее 15 сантиметров от материала. При этом поддерживающую для нее функцию будут выполнять пластиковые фиксаторы. Концы проволоки закрепляют на металлических мачтах (их называют горизонтальными приемниками). Токоотвод фиксируют к приемнику с помощью сварочного аппарата болтовыми соединениями или заклепками.
На смежные участки наносят изоляцию. На кровле токоотвод закрепляют скобами, а на стенах - пластиковыми фиксаторами. Проводник лучше разместить в кабельном канале, чтобы избежать пагубного воздействия на него влажности. Заземление создают так: Для монтажа стержневой системы понадобится высокая станина. Ее функции сможет выполнять, например, мачта ТВ-антенны. Приемник фиксируют к ней сварным или болтовым соединением. Установка токоотвода и заземлителя осуществляется так же, как описано выше, когда речь шла о тросовой молниезащите. После завершения установки следует протестировать сопротивление системы. Максимально допустимый показатель - 10 Ом.
Для создания молниеотвода своими руками подойдет обычное дерево. При этом его высота должна превышать уровень крыши здания примерно в 2,5 раза. Расстояние до дома не должно быть меньше 3 м. Один конец пятимиллиметровой проволоки приваривают к заземляющему устройству и закапывают соединение в землю. Оставшийся конец будет приемником. Его подводят к верхушке дерева. Металлические устройства чувствительны к отрицательным воздействиям окружающей среды. Чтобы избежать развития коррозийных процессов и сохранить рабочие свойства металлов, необходимо регулярно проводить осмотры системы защиты от молнии. С наступление весны - перед началом грозового сезона - необходимо провести визуальное исследование всех компонентов системы. В процессе эксплуатации металл бывает настолько поврежден, что не обойтись без замены деталей. Особое внимание следует уделять контактам. Некачественный контакт приводит к размыканию системы и возгоранию. Если нужно, их прочищают от окиси. Подземную часть молниезащиты также нужно проверять. Однако ввиду трудоемкости процесса, разрешается делать это не каждый год, а один раз в трехлетний период. Молниезащита – настолько важный элемент обеспечения безопасности жильцов и здания, что браться за ее создания стоит только при полной уверенности в своих знаниях и опыте. Если этого чувства недостаточно, лучше поручить выполнение работы профессионалам. Молниезащита и заземление - важные элементы частного дома. Ведь защищенность от молний позволяет не только предотвратить утрату имущества, но также сохраняет жизнь и здоровье обитателей жилища. Облака - это сгусток капелек воды и водяного пара, находящиеся в небе. Большие размеры облаков обуславливают их расположение в различных температурных зонах. Поэтому температуры в разных слоях облаков могут разниться на 20-30 градусов. К примеру, в то время как в нижнем слое облака температура может составлять -10 °С, в верхнем слое она может быть ниже -40 °С. При этом вода и пар превращаются в очень маленькие кусочки льда. Из-за контактов между кристаллами возникает статическое электричество. Поскольку температуры в разных слоях облака различаются, электрические заряды также неодинаковы, и поэтому облако напоминает слоеный пирог. Накопленная облаками сила тока огромна. Однако электричество раньше или позднее сбрасывается вовне в виде молний, которые, по сути, представляют собой короткие замыкания между проводниками разной полярности. Молнии сопровождаются грохотом, то есть громом. Раскатистый гром возникает в результате мгновенного проникновения накаленного ствола молнии сквозь массы воздуха. Существуют три типа молний: Поскольку электричество всегда избирает самый краткий путь, молнии наносят удары по самой высокой части строений и деревьев. Последние являются природными молниеотводами. Молниеотвод - приспособление, через которое электричество отводится к земле, минуя охраняемые объект. Молниеотвод всегда находится выше уровня охраняемого объекта. Молниезащитное устройство является электропроводником и как бы провоцирует молнию ударить именно по нему. Таким образом, короткое замыкание между облаком и земной поверхностью происходит не в неожиданном месте, а именно там, где оно будет нейтрализовано молниезащитой. Существует два вида молниезащитных устройств: Молниезащита включает: Эта часть, как уже говорилось выше, предназначена для приема разряда молнии. Оптимальный материал для изготовления молниеприемника (так же как и заземлителя) - медь. Обратите внимание! Не допускается покрытие молниеприемника лакокрасочными материалами, потому что в этом случае устройство не сможет выполнять свою функцию. Чтобы организовать молниезащиту на кровле здания, можно установить с разных сторон крыши и по центру небольшие молниеприемники, длинной от полуметра до метра. После этого их нужно объединить в единую систему и соединить с заземлителем. Также молниеприемник можно установить на кровле деревянного здания, на печной трубе или рядом стоящим деревом. Устройство помещается на деревянную мачту. Если дом имеет металлическое покрытие кровли, может хватить непосредственного заземления крыши. Обратите внимание! Чем выше расположен токоприемник, тем больше защищенная территория. Однако это правило действует приблизительно до 15 метровой высоты. На большей высоте эффективность устройства уменьшается. Для создания токоотвода понадобится медный или алюминиевый кабель как можно большего сечения. Оптимальным решением станет обычный витой провод из алюминия, применяемый при монтаже воздушных линий электропередачи. Одним концом провод прикрепляется к молниеприемнику с помощью муфт, обжимных труб или клемм, другим концом - к заземлителю. Провод должен располагаться строго по вертикали, дабы использовать минимальное расстояние между заземлителем и молниеприемником. Токоотводящий кабель можно заизолировать или проложить его по специально созданному каналу. Правильно выполненное заземление - основа эффективной молниезащиты здания. Существует распространенное мнение, что для обустройства заземления достаточно стального прута, соединенного проволокой с молниеприемником и вставленного в грунт. Это суждение неверно и сделанная таким образом молниезащита не защитит от ударов стихии. Инструкция по устройству сетей заземления и молниезащите предполагает четкое соблюдение ряда рекомендаций. Установка заземлителей осуществляется по тому же принципу, что и контур заземления здания. Лучшие материалы для цели молниезащиты - алюминий, латунь, медь и другие нержавеющие металлы. Однако эти материалы довольно недешевые, поэтому допустимо применять и сталь. Согласно техническим регламентам (СНИП) по эксплуатации электрическими установками и токопроводящими частями, заземлители необходимо ежегодно тестировать на наличие механических повреждений и коррозии. Если диаметр элементов системы сократился более чем наполовину, необходима их обязательная замена. Также понадобится не один, а несколько металлических прутьев, воткнутых в грунт. При этом, хотя количество прутьев является расчетной величиной, принято считать, что для одноэтажного или двухэтажного дома достаточно 3-4 прутьев. Длина прутьев должна превышать приблизительно на 30 сантиметров глубину максимального промерзания грунта. Прутья стыкуются электропроводником, обычно проволокой из алюминия, меди, либо луженной стальной пластинкой. Так создается замкнутый контур. Внешне конструкция будет напоминать букву «Ш», вкопанную в грунт. Обратите внимание! Не допускается связывание прутьев проволоки ручным способом или плоскогубцами. Этого нельзя делать даже в бытовом заземлении, а тем более в молниезащитной системе. Соединения должны создаваться с помощью сварки, с применением обжимных гильз или жесткому скручиванию, то есть методом холодного сваривания деталей. Подобные соединения отличаются надежностью, они не подвержены люфтам и не ослабевают со временем. Собранная конструкция будет выглядеть приблизительно следующим образом. Важно! Заземление для молниеотвода необходимо с контуром . Для этого контур молниезащиты соединяется с контуром заземления здания.
Стыкуются контуры стальной полосой. В результате выполненной работы общий контур усиливается, что положительно сказывается на безопасности здания. Как токоотвод, так и заземлитель должны располагаться в месте, в которое невозможен доступ детей и домашних животных. Заземлителем может быть любой крупный объект из металла, при этом, чем большая у него площадь касания с поверхностью, тем он эффективнее. Как заземлители могут быть использованы сетка из арматуры, чугунная ванна, стальные детали кровати и т.п. Вода - отличный проводник электричества. Исходя из этого, заземлитель нужно устанавливать там, где влажная земля. Можно искусственно увлажнять район заземления, например, направив туда сток воды с кровли здания. Обратите внимание! В домах с водопроводом и централизованной отопительной системой, а также в зданиях, подключенных к подземным электросетям, заземление уже есть в наличии. Поэтому такие объекты не нуждаются в установке дополнительных молниеотводов. Чтобы рассчитать защитную зону, можно использовать правило, согласно которому эта зона близка к конусоподобной форме с 45-градусным углом на вершине. Если речь идет об одиночном тросовом молниеотводе, зона защиты похожа на призму с тремя гранями, где ребром выступает трос. Вероятность прямого попадания молнии в таких зонах составляет не более 1%. Таким образом, если молниеприемник находится, например на 10-метровой высоте, защитная зона на земле также будет иметь 10-метровый диаметр. Существует еще один способ вычисления защитной зоны. Здесь применяется формула R = 1,732 h, где R – диаметр защитной зоны над наивысшей точкой здания, h – высота от высочайшей точки строения до пика молниеотвода. Вычисление зоны защиты Таким образом, если высота дома равна 7 метрам, а верхняя оконечность молниеотвода находится на 3 метра сверху высочайшей точки кровли, диаметр защитной зоны составит 5 метров 20 сантиметров. В итоге получается конус с диаметром у основания - 9 метров и 10-метровой высотой. Устройства защиты от молний для строительных объектов проходят приемку специальной комиссией и сдаются в эксплуатацию владельцу здания до начала установки в помещениях ценного имущества. Состав комиссии по приемке устанавливается заказчиком объекта. Комиссия по приемке состоит из специалистов следующих направлений: Комиссии по приемке предоставляется такая документация: Комиссия по приемке проверяет произведенные установочные работы по обустройству молниезащитных систем. Приемка устройств защиты от молний в новостройках проводится с использованием актов приемки оборудования. Пуск молниезащитных устройств производится после подписания актов-допусков соответствующих надзорных и контролирующих органов государства. По окончанию приемки выдаются паспорта для систем защиты от молний и паспорта заземлителей, которые находятся у владельца здания или ответственного за электрическое хозяйство.
Разные деревья по-разному справляются с функцией отвода молний. Наиболее подходящие деревья: береза, ель и сосна. Однако в населенных пунктах для целей молниеотвода более применима береза, а вот хвойные стараются не сажать в непосредственной близости от зданий, поскольку их древесина более хрупкая. Перечисленные породы деревьев имеют преимущества над некоторыми другими видами благодаря их корневой системе. Наилучшим заземлением обладают деревья с максимально разветвленной корневой системой, находящейся неглубоко в земле. Лучше всего, если корни таких деревьев частично расположены на поверхности грунта и веерообразно расходятся в стороны. При попадании в дерево, электрический заряд моментально достигает корневой системы и уходит в землю. Важно! Во время грозы следует избегать деревьев, поскольку в этом случае вероятность поражения молнией значительно возрастает.
Создание устройства защиты от молний не отличается высокой сложностью, но требует базового понимания физических законов и соблюдения технических регламентов. Если же нет уверенности в собственных силах, лучше обратиться за помощью к специалистам.
;
;
;
;
;
; ;
; ;
; ;
;
8.4. Молниеотводы
Конструктивное выполнение молниеотводов
оединения
токоотводов, специальных и естественных,
должны быть сварными (внахлест). Количество
их необходимо резко ограничить. Болтовые
соединения допускают только для объектов
сIII
категорией устройства молниезащиты и
тогда их не окрашивают, а лудят. С
заземлителями токоотводы соединяют
только сваркой, и площадь контакта во
всех случаях не менее двух площадей
сечения деталей, а длина – около шести
диаметров проволоки или двойной ширины
полосы или полки уголка. Если токоотводы
присоединяют к отдельным заземлителям
и они электрически связаны друг с другом,
то на высоте около 1,5 м от поверхности
земли устанавливают надежный болтовой
зажим, позволяющий отсоединить токоотвод
для контроля заземлителя (рис. 8.10).
Токоотводы от молниеприемников
прокладывают кратчайшим путем к
заземлителю. От входов в здания их нужно
располагать на таком расстоянии, чтобы
с ними не могли соприкасаться люди.
Необходимо избегать острых углов и тем
более петель в токоотводе, так как
значительные электродинамические
усилия при больших токах молнии могут
разорвать его на этих участках или
вызвать искровое перекрытие между
ближайшими точками петли. Металлическая
кровля, короба и трубы могут быть
соединены с токоотводами болтовыми
зажимами (рис. 8.11).
.
Принцип действия и устройство
Молниеприемник
Токоотвод
Заземлитель
Подготовительные мероприятия
Формула расчета
Материал для громоотвода
Материал
Молниеприемник
Токоотвод
Заземлитель
Площадь сечения, мм
Диаметр, мм
Площадь сечения, мм
Диаметр, мм
Площадь сечения, мм
Диаметр, мм
Медь
35
7
16
5
50
8
Сталь
50
8
50
8
100
11,5
Алюминий
70
9,5
25
6
Не применяется
Место установки
Установка тросового молниеотвода
Установка стержневого молниеотвода
Дерево в качестве громоотвода
Уход за конструкцией
Природа молний
Что такое молниеотвод
Компоненты молниезащиты
Молниеприемник
Токоотвод
Заземление частного дома
Расположение заземлителя
Защитная зона молниеотвода
Приемка молниезащитных систем в эксплуатацию
Природные молниеотводы
