Защитное действие молниеотвода основано на том, что молния поражает наиболее высокие и хорошо заземленные металлические сооружения. Следовательно, сооружение не будет поражено молнией, если оно находится в зоне защиты молниеотвода. Зона защиты молниеотвода - часть пространства, примыкающая к молниеотводу, которая обеспечивает защиту сооружения от прямых ударов молнии с достаточной степенью надежности (99%)

Быстрые изменения тока молнии порождают электромагнитную индукцию - наведение потенциалов в незамкнутых металлических контурах, создающее опасность искрения в местах сближения этих контуров. Это называется вторичным проявлением молнии.

Возможен также занос наведенных молнией высоких электрических потенциалов в защищаемое здание по внешним металлическим сооружениям и коммуникациям.

Защита от электростатической индукции достигается путем присоединения металлических корпусов электрооборудования к защитному заземлению или к специальному заземлителю.

Для защиты от заноса высоких потенциалов подземные металлические коммуникации при вводе в защищаемый объект присоединяют к заземлителям защиты от электростатической индукции или электрооборудования.

Молниеотводы состоят из несущей части (опоры), молниеприемника, токоотвода и заземлителя. Существует два типа молниеотводов: стержневой и тросовый. Они могут быть отдельно стоящие, изолированные и не изолированные от защищаемого здания или сооружения (рис. 86, а-в).

молниеотвод: стержневой одиночныймолниеотвод: стержневой двойноймолниеотвод: антенный

Рис. 86. Виды молниеотводов и их защитные зоны:

а - стержневой одиночный; б - стержневой двойной; в - антенный; 1 - молниеприемник; 2 - токоотвод, 3 - заземление

Стержневые молниеотводы представляют собой один, два или больше вертикальных стержней, устанавливаемых на защищаемом сооружении или вблизи него. Тросовые молниеотводы - один или два горизонтальных троса, каждый закрепленный на двух опорах, по которым прокладывают токоотвод, присоединенный к отдельному заземлителю; опоры тросового молниеотвода устанавливают на защищаемом объекте или вблизи него. В качестве молниеприемников используют круглые стальные стержни, трубы, стальной оцинкованный трос и др. Токоотводы выполняют из стали любой марки и профиля сечением не менее 35 мм2. Все части молниеприемников и токоотводов соединяют сваркой.

Заземлители бывают поверхностные, углубленные и комбинированные, изготовленные из стали различного сечения или труб. Поверхностные заземлители (полосовые, горизонтальные) укладывают на глубине 1 м и более от поверхности земли в виде одного или нескольких лучей длиной до 30 м. Углубленные заземлители (стержневые вертикальные) длиной 2-3 м забивают в грунт на глубину 0,7-0,8 м (от верхнего конца заземлителя до поверхности земли).

Сопротивление заземлителя для каждого отдельно стоящего молниеотвода не должно превышать для молниезащиты зданий и сооружений I и II категорий - 10 Ом и III категории - 20 Ом.

4. Заземлители устройство.

Понятие о сопротивлении заземляющего устройства опоры BЛ току молнии. Заземляющим устройством называется конструкция из электропроводящих материалов, которая служит для отвода тока в землю. Ее основными конструктивными элементами являются заземлители и заземляющие проводники. Заземлителем называется проводник (электрод) или совокупность металлических соединенных между собой проводников (электродов), находящихся в соприкосновении с землей. Заземляющим проводником называется проводник, соединяющий заземляемые части с заземлителем. Основная функция, которую выполняет заземляющее устройство опоры BЛ, - отвод в землю тока молнии, т. е. уменьшение возможности (вероятности) обратных перекрытий при ударе молнии в опору и грозозащитный трос. В отличие от обычных перекрытий, вызванных увлажнением или загрязнением изоляции, ток молнии создает на опоре электрический потенциал, намного больший потенциала фазного провода, и, таким образом, перекрытие происходит в обратном направлении. Чем меньше сопротивление заземляющего устройства, тем меньше возможность обратного перекрытия. Сопротивлением заземляющего устройства называется отношение напряжения на заземляющем устройстве к току, стекающему с заземлителя в землю. Сопротивление заземляющего устройства - не единственный параметр, влияющий на вероятность обратных перекрытий. Существенное влияние также оказывают: длина гирлянды изоляторов; высота грозозащитного троса и фазного провода; расстояние между тросом и проводом и др. С увеличением длины гирлянды, например, возрастает электрическая прочность соответствующего воздушного промежутка и тем самым уменьшается вероятность обратного перекрытия. Так должно происходить с увеличением класса напряжения линии. Однако для линий более высокого напряжения увеличивается и высота опор, что приводит к росту числа ударов молнии в опоры и в грозозащитный трос. Возрастает также индуктивность опоры, которая увеличивает вероятность обратных перекрытий. Ток молнии при ударе в опору растекается по грозозащитному тросу. Ток в тросе индуктирует токи в проводе и опоре, что приводит в конечном счете к увеличению напряжения, приложенного к изоляционному промежутку провод - опора. Таким образом, вероятность обратного перекрытия при ударе молнии в опору - сложная функциональная величина, зависящая от ряда параметров. Если все параметры, кроме сопротивления заземляющего устройства, считать постоянными, т. е. задаться определенным типом опоры, то можно рассчитать кривую вероятности обратных перекрытий. Ниже приводиться исходные данные для расчета вероятности обратных перекрытий при ударе молнии в промежуточную опору типа П220-2Т: Максимальное рабочее напряжение, кВ 252 50%-ное разрядное напряжение положительной полярности: импульсная прочность воздушного промежутка, соответствующая строительной высоте гирлянды изоляторов, кВ 1248 Высота троса на опоре, м 42 Высота верхнего провода, м 33 Средняя длина пролета, 400 Радиус троса, 0,007 Радиус провода, м 0,012 Расстояние между тросом и верхним проводом по горизонтали, 3 Расстояние между тросами, м 1 Стрела провеса троса, 13 Стрела провеса провода, м 15 Эквивалентный радиус опоры, м 3,2 По этим данным выполнены расчеты зависимости вероятности обратного перекрытия от значения сопротивления заземляющего устройства. Эта зависимость показана на рис. 1. Из рисунка видно, что до сопротивления R = 300 Ом кривая поднимается довольно круто, затем плавно возрастает до R = 1000 Ом. В дальнейшем вероятность обратных перекрытий медленно приближается к уровню 0,3, не превышая этого значения. Численное значение вероятности 0,3 означает, что примерно из 10 ударов молнии в трех случаях будет наблюдаться обратное перекрытие. Для других типов опор этот предельный уровень может быть другим, важно лишь подчеркнуть: если в силу особенностей грунта (песок, скала) сопротивление заземляющего устройства оказывается достаточно большим, например 5000Ом, то снижение сопротивления до 1000 Ом уже не имеет смысла. Таким образом, вероятность обратных перекрытий и связанное с ней число грозовых отключений зависят от сопротивления заземляющего устройства опоры. Эта зависимость проявляется в большей степени при небольших сопротивлениях заземления опоры: от единиц до сотен Ом. Заземляющее устройство опоры линии электропередачи представляет собой электрическую цепь с распределенными параметрами: сопротивлением и индуктивностью металла, проводимостью и емкостью грунта. Если на вход такой цепи подать синусоидальное напряжение (или ток) достаточно большой частоты, то на различных расстояниях от источника отношение напряжения к силе тока, т. е. сопротивление в данной точке, будет различным. Рис. 1. Зависимость вероятности обратных перекрытий от сопротивления заземляющего устройства опоры Еще более сложный вид зависимости между напряжением и током наблюдается при воздействии на заземлитель импульса тока молнии. Импульс характеризуется двумя параметрами: наибольшим значением (амплитудой) тока и временем нарастания тока (длительностью фронта). При малых амплитудах в грунте не происходит искрообразования. Однако большие токи молнии ведут к электрическому пробою грунта, который в области, прилегающей к заземлителю, приобретает нулевое электрическое сопротивление: заземлитель как бы увеличивается в размерах. Для полного анализа процессов в заземляющем устройстве при воздействии тока молнии необходим учет таких факторов, как длина заземлителя, удельное сопротивление грунта, амплитуда и длительность фронта импульса тока молнии, момент наблюдения. Все эти факторы учитываются импульсными коэффициентами, которые обозначают аи. Сопротивление естественных и искусственных заземлителей. Естественными заземлителями называются находящиеся в соприкосновении с землей электропроводящие части коммуникаций, зданий и сооружений производственного или иного назначения, используемые для заземления. Искусственным заземлителем называется заземлитель, специально выполняемый для заземления. Рис. 2. Железобетонный подножник (с) и его расчетная модель (б) Стальная арматура фундаментов металлических опор и заглубленной части железобетонных опор во многих случаях достаточно хорошо выполняет функцию отвода в землю токов молний, т. е. играет роль естественного заземлителя. Связано это с тем, что бетон как проводник электрического тока представляет собой пористое тело, состоящее из большого числа тонких каналов, наполненных влагой и создающих, таким образом, путь для электрического тока. При определенных силе тока и времени его протекания влага испаряется, в бетоне возникают электрические искры и дуги, которые могут разрушить материал и пережечь арматуру, что в конечном счете приводит к снижению механической прочности железобетонной конструкции. В связи с этим стержни арматуры, используемые для заземления, проверяют на термическую стойкость при протекании токов короткого замыкания. Следует также иметь в виду, что в среде с существенной агрессивностью к бетону использование железобетонных фундаментов в качестве заземлителей не всегда возможно. В сетях с изолированной нейтралью режим длительного замыкания является опасным для железобетонных фундаментов, и сооружение искусственных заземлителей необходимо для разгрузки естественных элементов заземляющего устройства и предохранения их от разрушения стекающим током Ниже приводится установленная в результате исследований допустимая плотность электрического тока для арматуры железобетонных конструкций в зависимости от вида тока и времени воздействия, А/м2: Длительный постоянный ток 0,06 Длительный переменный ток 10 Кратковременный переменный ток (до 3 с) 10000 Ток молнии 100000 Искусственные заземлители сооружают, как правило, в грунтах с удельным сопротивлением более 500 Ом - м. Это обусловлено тем, что естественные заземлители опор BЛ35 - 330 кВ имеют в таких грунтах сопротивления больше нормируемых. В линиях высших классов напряжения с мощными фундаментами искусственные заземлители не снижают заметно сопротивлений заземляющего устройства. Искусственные заземлители, как правило, выполняются в виде двух-четырех расходящихся от опоры горизонтальных лучей, прокладываемых на глубине 0,5 м, а в пахоте - 1 м. В случае установки опор в скальных грунтах допускается прокладка лучевых заземлителей непосредственно под разборным слоем над скальными породами. При отсутствии этого слоя (толщиной не менее 0,1 м) рекомендуется прокладка заземлителей по поверхности скалы с заливкой их цементным раствором. Для уменьшения коррозионного воздействия со стороны грунта искусственные заземлители должны быть круглого сечения диаметром 12-16 мм.
Рис. 3. Расположение естественных а - башенная промежуточная опора 35-330 кВ; б - П-образная с оттяжками промежуточная опора 330- 750 кВ Указанные сопротивления заземляющих устройств относятся и к опорам без тросов и других устройств грозозащиты, но с установленными на этих опорах силовыми или измерительными трансформаторами, разъединителями, предохранителями или другими аппаратами для ВЛ напряжением 110 кВ и выше. Железобетонные и металлические опоры напряжением 110 кВ и выше без тросов и других устройств грозозащиты также заземляются, если это необходимо для обеспечения надежной работы релейной защиты и автоматики. Сопротивления заземляющих устройств таких опор определяются при проектировании ВЛ. Железобетонные и металлические опоры напряжением 3 - 35 кВ, не имеющие устройств грозозащиты и другого установленного оборудования, должны быть заземлены, причем в ненаселенной местности для ВЛ 3 - 20 кВ допускается сопротивление заземляющего устройства: 30 Ом при р менее 100 Ом - м и 0,3 р - при р более 100 Ом - м. Заземляющие устройства опор, на которых установлено электрооборудование. должны соответствовать следующим требованиям. В сетях напряжением менее 1 кВ с глухозаземленной нейтралью сопротивление заземляющего устройства должно быть 2, 4, 8 Ом при линейных напряжениях 660,380,220 В трехфазного или 380,220,127 однофазного тока. Это сопротивление должно быть обеспечено с учетом использования естественных заземлителей, а также заземлителей повторных заземлений нулевого провода. При этом сопротивление заземлителя, расположенного в непосредственной близости от нейтрали генератора или трансформатора или вывода источника однофазного тока, должно быть не более 25, 30, 60 Ом для линейных напряжений 660, 380, 220 В трехфазного или 380,220,127 В однофазного тока. В сетях напряжением выше 1 кВ с изолированной нейтралью заземляемое оборудование, установленное на опоре ВЛ, подсоединяется к замкнутому горизонтальному заземлителю (контуру), проложенному на глубине не менее 0,5 м. Если сопротивление заземляющего устройства выше 10 Ом, то следует дополнительно проложить горизонтальные заземлители на расстоянии 0,8 - 1 м от фундамента опоры. При р > > 500 Ом-м допускается повысить значение сопротивления в 0,002 р раз, но не более чем в 10 раз. Измерения сопротивлений заземляющих устройств опор ВЛ следует проводить при токе промышленной частоты. На ВЛ напряжением ниже 1кВ измерения производятся на всех опорах с заземлителями грозозащиты и повторными заземлителями нулевого провода. На ВЛ напряжением выше 1 кВ измерения сопротивлений заземляющих устройств производятся на опорах с разрядниками и защитными промежутками и с электрооборудованием, а на опорах ВЛ 110 кВ и выше - с грозозащитными тросами при обнаружении следов перекрытий изоляторов электрической дугой. На остальных железобетонных и металлических опорах измерения производятся выборочно у 2% общего числа опор с заземлителями: в населенной местности, на участках с агрессивными и оползневыми грунтами и в плохопроводящих грунтах.

ВВЕДЕНИЕ

Распределительные электрические сети (PC) напряжением 0,4-10 кВ в последние годы оснащаются электрооборудованием, аппаратами, устройствами, изоляторами и проводами, изготовленными на новой современной технической базе. Эксплуатация таких сетевых объектов требует надежной системы защиты от грозовых перенапряжений с использованием современных технических средств. Разработка технических средств и методов защиты от перенапряжений PC связана с количественной оценкой параметров молнии и вероятного числа грозовых повреждений. Для расчетов плотности прямых ударов молнии на землю используется информация об интенсивности грозовой деятельности. При этом необходимо учитывать экранирование сетевых объектов зданиями, сооружениями, деревьями и т.п. Экранирование в отдельных случаях может снизить количество прямых ударов в сетевые объекты на ~ 70%.

Надежная защита достигается, если оборудование и конструкции будут иметь достаточно высокую прочность изоляции или в PC установлены эффективные аппараты защиты от грозовых перенапряжений. Для защиты PC напряжением 0,4-10 кВ от грозовых перенапряжений применяются ограничители перенапряжений нелинейные (ОПН), разрядники длинно-искровые (РДИ), разрядники вентильные (РВ) и трубчатые (РТ), защитные искровые промежутки (ИП). Тип, количество и место установки аппаратов защиты выбирается при проектировании конкретных сетевых объектов. При установке аппаратов защиты требования к значению сопротивления заземления выбирают согласно ПУЭ. Для магистральных линий напряжением 6-10 кВ, выполненных в габаритах ВЛ напряжением 35 кВ, рекомендуется применять тросовые молниеотводы на подходах к подстанциям и распределительным пунктам.

Задачей защиты PC напряжением 0,4 кВ является предотвращение поражения людей, животных и возникновения пожаров вследствие проникновения грозовых перенапряжений во внутренние проводки жилых домов и других строений, а также повреждения электрооборудования подстанций 6-10/0,4 кВ.

ОЦЕНКА ЗАЩИТНОГО ДЕЙСТВИЯ МОЛНИЕОТВОДОВ

Параметры стержневых и тросовых молниеотводов

Параметры стержневых молниеотводов

Стержневым молниеотводом называется конструкция в виде вертикального установленного решетчатого шпиля, трубы или стержня. Стержневой молниеотвод как средство грозозащиты был предложен В.Франклином в 1749 году. Современные молниеотводы стандартных типов имеют высоту до 40 метров. В некоторых случаях для создания нестандартных молниеотводов в качестве несущих конструкций используются заводские трубы, опоры линий электропередачи или металлические порталы открытых распределительных устройств.

Молниеотвод должен иметь надёжную связь с землёй с сопротивлением 5-25 Ом растеканию импульсного тока. Защитное свойство стержневых молниеотводов заключается в том, что они ориентируют на себя лидер формирующегося грозового разряда. Разряд происходит обязательно в вершину молниеотвода, если он формируется в некоторой области, расположенной над молниеотводом. Эта область имеет вид расширяющегося вверх конуса и называется зоной 100%-го поражения. Опытными данными установлено, что высота ориентировки молнии Н зависит от высоты молниеотвода h. Для молниеотводов высотой до 30 метров:

а для молниеотводов высотой более 30 метров Н=600м принято считать, что вершина конуса зоны 100%-го поражения располагается симметрично оси молниеотвода на высоте защищаемого объекта, а радиус его на высоте ориентировки:

где - активная часть молниеотвода, соответствующая его превышению над высотой защищаемого объекта:

Кроме указанной зоны, защитное действие стержневого молниеотвода характеризуется зоной защиты, т.е. пространством, попадание разрядов молний в которое исключается. Зона защиты одиночного стержневого молниеотвода имеет вид шатра, расширяющегося книзу (рис. 1.1). Для расчёта радиуса защиты в любой точке защитной зоны, в том числе и на уровне высоты защищаемого объекта, используется формула:

где р - поправочный коэффициент, равный 1 для молниеотводов высотой меньше 30 метров и равный для более высоких молниеотводов.

В том случае, когда для защиты протяжённых объектов используется несколько молниеотводов, целесообразно, чтобы зоны их 100%-го поражения смыкались над объектом или даже перекрывали друг друга, исключая вертикальный прорыв молнии на объект защиты (рис. 1.2). Расстояние (S) между осями молниеотводов должно быть равно или меньше величины, определяемой из зависимости:

Зона защиты двух и четырёх стержневых молниеотводов в плане на уровне высоты защищаемого объекта имеет очертания, приведённые на рис. 1.3, а, б.

Показанный на рисунке радиус защиты определяется так же, как и для одиночного молниеотвода, а наименьшая ширина зоны защиты определяется по специальным кривым. Следует иметь ввиду, что при молниеотводов высотой до 30 метров, расположенных на расстоянии, наименьшая ширина зоны защиты равна нулю.

Рисунок 1.1 - Зона защиты одиночного стержневого молниеотвода:

1 - граница зоны защиты; 2 - сечение зоны защиты на уровне

Рисунок 1.2 - Схема расположения стержневых молниеотводов, обеспечивающая смыкание зон 100%-го поражения

Рисунок 1.3 - Графическое изображение защитной зоны:

а) - для двух молниеотводов; б) - для четырёх молниеотводов

При наличии трёх и четырёх молниеотводов очертания защитной зоны имеют вид, подобный рис. 1.3 б. Радиусы защиты определяются в этом случае так же, как и для одиночных молниеотводов. Размер определяется по кривым для каждой пары молниеотводов. Диагональ четырёхугольника или диаметр окружности, проходящей через вершины треугольника, образованного тремя молниеотводами, по условиям защищённости всей площади должны удовлетворять зависимости для молниеотводов высотой меньше 30 м:

для молниеотводов высотой более 30 м:

При установке отдельно стоящих молниеотводов необходимо соблюдать определённые расстояния по воздуху между молниеотводом и защищаемым объектом. Это требование исходит из того, что в момент поражения молниеотвода молнией на нём создаётся высокий потенциал, который может привести к обратному разряду с молниеотвода на объект. Потенциал на молниеотводе в момент разряда определяется зависимостью:

где - импульсное сопротивление заземления молниеотвода 5 - 25 Ом; - ток молнии в хорошо заземлённом объекте, кА.

Более точно потенциал на молниеотводе можно определить с учётом индук-

тивности молниеотвода:

где а - крутизна фронта волны тока, кА/мкс; - точка молниеотвода на высоте объекта, м; - удельная индуктивность молниеотвода, мкГн/м.

Для расчёта минимального допустимого приближения объекта к молниеотводу можно исходить из зависимости:

где Е в - допустимая импульсная напряжённость электрического поля в воздухе, принимаемая 500 кВ/м.

Руководящие указания по защите от перенапряжений рекомендуют расстояние до молниеотвода принимать равным:

Эта зависимость справедлива при токе молнии, равным 150 кА, крутизне тока 32 кА/мксек и индуктивности молниеотвода 1,5 мкгн/м. Независимо от результатов расчёта, расстояние между объектом и молниеотводом должно быть не менее 5 м.

Тросовый молниеотвод

Одним из наиболее надёжных средств предотвращения прямых поражений молнией проводов линий электропередачи является подвеска над ними заземлённых тросовых молниеотводов. Устройство это дорогое и поэтому применяется только на линиях первого класса напряжением 110 кВ и выше. Когда линия на металлических или деревянных опорах не прикрыта тросами полностью, ими прикрывают только подходы к подстанциям на участке 1-2 км. В зависимости от конструкции опор, могут быть применены один или два троса, наглухо присоединённые к металлической опоре или к заземляющим металлическим спускам деревянных опор. Для предохранения троса от пережога током молнии и контроля заземления опоры крепления троса производится с помощью одного подвесного изолятора, шунтированного искровым промежутком. Эффективность тросовой защиты тем выше, чем меньше угол, образованный вертикалью, проходящей через трос, и линией, соединяющей трос с крайним из проводов. Этот угол называют защитным углом, принимая его величину в пределах 20-30 0 .

Защитная зона для одного троса в сечении перпендикулярном линии, имеет вид, подобный защитной зоне для одиночного стержневого молниеотвода. Ширина защитной зоны, исключающей прямое поражение проводов на уровне высоты их подвеса, определяется зависимостью:

Эта зависимость справедлива для высоты подвеса троса 30 м и ниже.

20. Зона защиты двойного тросового молниеотвода показана на рис. 12. Размеры r , h , r определяются по формулам (5) настоящей Инструкции. Остальные габариты зоны защиты определяются по формулам:

При L h h = h, r = r r = r ; (6)

При L > h (7)

Рис 12 Схема зоны защиты двойного тросового молниеотвода:
1 , 2, 3- границы зон защиты на уровнях соответственно земли и высот защищаемого сооружения; 4 - трос

Зона защиты существует при L 3h.

Конструктивное выполнение молниеотводов

Опоры, молниеприемники и токоотводы

21. Опоры молниеотводов следует выполнять из стали любой марки, железобетона или древесины (рис. 13). Металлические трубчатые опоры допускается изготовлять из некондиционных стальных труб. Металлические опоры должны быть предохранены от коррозии. Окрашивать контактные поверхности в соединениях не допускается, деревянные опоры и пасынки должны предохраняться от гниения пропиткой антисептиками.

22. Опоры стержневых молниеотводов необходимо рассчитывать на механическую прочность как свободно стоящие конструкции, а тросовые-с учетом натяжения троса и ветровой нагрузки на трос, без учета динамических усилий от токов молнии в обоих случаях.

23. К верхнему концу опоры / прикрепляется молние-приемник 2, выступающий над опорой не более чем на 1,5 м (см. рис. 13). Молниеприемник соединяется токоотводом 3 с заземлением 4 и крепится к столбу скобами 5. Для больших хранилищ применяются сложные опоры.

Рис 13 Устройство стержневых молниеотводов на деревянных опорах: а - двух; б - одной

Для увеличения срока службы деревянные опоры можно устанавливать на рельсовые или железобетонные приставки.

Размеры деревянных опор

Высота молниеотвода, м...... 9 11 13 14 16 18 20 22
Высота составных деревянных частей опоры м:
верхней а . . . . . . . . . . . . . 6 7 8 9 10 11 12 13
нижней b . . . . . . . . . . . . . 5,5 6,5 7,5 8,5 9,5 10,5 11,5 12,5

24. Использование деревьев в качестве опор для мол-ниеприемников не допускается.

25. Площадь сечения стального молниеприемника стержневого молниеотвода должна быть не менее 100 мм (рис. 14). Длина молниеприемника должна быть не менее 200 мм. Молниеприемники следует защищать от коррозии оцинкованием, лужением или покраской.

Рис. 14. Конструкции молниеприемников из круглой стали (а), стальной проволоки диаметром 2-3 мм (б ), стальной трубы (в ), полосовой стали (г ), угловой стали (д): 1 - токоотвод

26. Молниеприемники тросовых молниеотводов необходимо выполнять из стального многопроводного оцинкованного троса площадью сечения не менее 35 мм .

27. Соединение молниеприемников с токоотводами должно выполняться сваркой, а при невозможности применения сварки - болтовым соединением с переходным электрическим сопротивлением не более 0,05 Ом. Соединение стальной кровли с токоотводами может выполняться зажимами (рис. 15). Площадь контактной поверхности в соединении должна быть не менее удвоенной площади сечения токоотводов.

Рис. 15. 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

_____
*1 Применяются только для углубленных заземлителей и выравнивания потенциалов внутри зданий.

28. Токоотводы, перемычки и заземлители необходимо выполнять 113 фигурной стали с размерами элементов, не менее указанных на стр. 217.

Заземляющие устройства

29. По расположению в грунте и форме электродов заземлители делятся на:

А) углубленные - из полосовой (площадью сечения 40 Х 4 мм) или круглой (диаметром 20 мм) стали, укладываемые на дно котлована в виде протяженных элементов или контуров по периметру фундаментов. В грунтах с электрическим удельным сопротивлением 500 Ом м в качестве углубленных заземлителей может использоваться арматура железобетонных свай и железобетонных фундаментов других видов;

Б) горизонтальные - из полосовой (площадью сечения 40 Х 4 мм) или круглой (диаметром 20 мм) стали, уложенные горизонтально на глубине 0,6-0,8 м от поверхности земли или несколькими лучами, расходящимися из одной точки, к которой присоединяется токоотвод;

В) вертикальные-из стальных, вертикально ввинчиваемых стержней (диаметром 32-56 мм) или забиваемых электродов из угловой (40Х40 мм) стали. Длина ввинчиваемых электродов должна приниматься 3-5 м, забиваемых-2,5-3 м. Верхний конец вертикального заземлителя должен быть заглублен на 0,5-0,6 м от поверхности земли;

Г) комбинированные - вертикальные и горизонтальные, объединенные в общую систему. Присоединение токоотводов следует проводить в середину горизонтальной части комбинированного заземлителя.

В качестве комбинированных следует применять сетки с глубиной заложения 0,5-0,6 м или сетки с вертикальными электродами. Шаг ячеек сетки должен быть не менее 5-6 м;

Д) пластинчатые - для судов с ВМ, корпуса которых изготовлены из непроводящего материала.

30. Все соединения электродов заземлителей между собой и с токоотводами должны проводиться сваркой. Длина сварочного шва должна быть не менее двойной ширины свариваемых полос и не менее 6 диаметров свариваемых круглых проводников,

Болтовой контакт допускается только при устройстве временных заземлителей и в местах соединения между собой отдельных контуров, выполненных в соответствии с п. 11 настоящей Инструкции. Площадь сечения соединительных полос заземлителей должна быть не менее указанной в п. 28 настоящей Инструкции.

31. Проектирование заземлителей должно вестись с учетом неоднородности грунта.

32. Конструкция заземлителей выбирается в зависимости от требуемого импульсного сопротивления с учетом структуры и электрического удельного сопротивления грунта, а также удобства ведения работ по их укладке. Типовые конструкции заземлителей и значения их сопротивления растеканию тока промышленной частоты , Ом, приведены в табл. 1П.

В грунтах с электрическим удельным сопротивлением менее 500 Ом м следует использовать заземлители горизонтального или вертикального типа. При грунтах неоднородной проводимости следует применять горизонтальные заземлители, если электрическое удельное сопротивление верхнего слоя грунта меньше нижнего, и и вертикальные заземлители, если проводимость нижнего слоя лучше, чем верхнего.

33. Каждый заземлитель характеризуется своим импульсным сопротивлением, т. е, сопротивлением растеканию тока молнии R . Импульсное сопротивление заземлителя может существенно отличаться от сопротивления , получаемого обычно принятыми способами. Его величина определяется по формуле:

R = (8)

где - импульсный коэффициент, зависящий от параметров тока молнии, электрического удельного сопротивления грунта и конструкции заземлителя.

Предельные длины горизонтальных заземлителей, гарантирующих 1 при разных удельных сопротивлениях грунта р , приведены ниже.

Таблица 1П

Заземлители большей длины практически не отводят импульсный ток на участке, превышающем l .

Значения импульсного коэффициента при разных удельных сопротивлениях грунта приведены в табл. 2П.

Таблица 2П

Импульсные коэффициенты определены для значений амплитуды тока молнии 60 кА и крутизны 20 кА/мкс.

34. После монтажа заземлителей расчетное сопротивление растеканию должно быть уточнено непосредственным замером. Измерения следует проводить летом в сухую погоду.

Соединение между собой отдельных заземлителей молниеотводов стальной полосой допускается в грунтах с электрическим удельным сопротивлением > 500 Ом м.

Если измеренное сопротивление заземлителей превышает расчетное, то в грунтах с электрическим удельным сопротивлением 500 0м м и более необходимо соединять между собой заземлители молниеприемников соседних хранилищ при расстоянии между ними не более указанных в п. 10 настоящей Инструкции.

Защитное действие молниеотвода, основано на свойстве молнии с большей 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. Количественно защитное действие молниеотвода определяется через вероятность прорыва - отношение числа ударов в защищенный объект (числа прорывов) к общему числу ударов в молниеотвод и объект.

Невозможно создать идеальную защиту от прямых ударов молнии, полностью исключающую прорывы на защищаемый объект. Однако на практике осуществимо взаимное расположение объекта и молниеотвода, обеспечивающее низкую вероятность прорыва, например 0,1 и 0,01, что соответствует уменьшению числа поражений объекта примерно в 10 и 100 раз по сравнению с незащищенным объектом. Для большинства современных объектов при таких уровнях защиты обеспечивается малое количество прорывов за весь срок их службы.

Подход к нормированию заземлителей молниезащиты

Одним из эффективных способов ограничения грозовых перенапряжений в цепи молниеотводов, а также на металлических конструкциях и оборудовании объекта является обеспечение низких сопротивлений заземлителей. Поэтому при выборе молниезащиты нормированию подлежит сопротивление заземлителя или другие его характеристики, связанные с сопротивлением.

Для наружных установок максимально допустимое импульсное сопротивление заземлителей было принято равным 50 Ом.

В настоящее время распространенными и рекомендуемыми конструкциями заземлителей являются железобетонные фундаменты. К ним предъявляется дополнительное требование - исключение механических разрушений бетона при растекании через фундамент токов молнии. Железобетонные конструкции выдерживают большие плотности растекающихся по арматуре токов молнии, что связано с кратковременностью этого растекания. Единичные железобетонные фундаменты (сваи длиной не менее 5 или подножники длиной не менее 2 м) способны без разрушения выдерживать токи молнии до 100 кА. 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 объем проектных работ.

Общие положения по устройству молниезащиты

Устройства молниезащиты (молниеотводы) должны включать в себя молниеприемники, непосредственно воспринимающие удар молнии, токоотводы и заземлители.

Стержневые молниеприемники должны быть изготовлены из стали (круглой, полосовой, угловой, трубчатой) любой марки сечением не менее 200 мм 2 , длиной не менее 500 мм и укреплены на опоре или непосредственно на самом защищаемом здании или сооружении.

Тросовые молниеприемники должны быть изготовлены из стальных многопроволочных канатов сечением не менее 50 мм 2 .

Токоотводы, соединяющие молниеприемники всех видов с заземлителями, следует выполнять из стали. Их размеры должны быть не менее приведенных ниже:

Снаружи здания На воздухе В земле

Диаметр круглых токоотводов и перемычек, мм 8 -

Диаметр круглых вертикальных (горизонтальных) электродов, мм - 16(14)

Сечение (толщина) прямоугольных токоотводов, мм 2 (мм) 50(4) 160(4)

Молниеприемная сетка должна быть выполнена из оцинкованный стальных проводников диаметром не менее 8 мм, уложена на неметаллическую кровлю здания сверху или под несгораемые или трудно сгораемые утеплитель или гидроизоляцию. Размер ячеек сетки должен быть не более 6x6 м. Сетка в узлах должна быть соединена сваркой.

В зданиях с покрытиями по металлическим фермам или балкам молниеприемную сетку на кровле не укладывают. В этом случае несущие конструкции покрытия должны быть связаны токоотводами из стальных стержней марки А1 диаметром 12 мм. Все металлические детали, расположенные на кровле (трубы, вентиляционные устройства, водосточные воронки и т.п.) должны быть соединены с молниеприемной сеткой молниеотводами. На неметаллических возвышающихся частях зданий следует дополнительно уложить металлическую сетку и соединить ее при помощи сварки с молниеприемной сеткой на кровле.

При прокладке молниеприемной сетки и установке молниеотводов следует использовать на защищаемом объекте всюду, где это возможно, в качестве токоотводов металлические конструкции зданий и сооружений (колонны, фермы, рамы, пожарные лестницы и т.п., а также арматуру железобетонных конструкций) при условии обеспечения непрерывной электрической связи в соединениях конструкций и арматуры с молниеприёмниками и заземлителями, выполняемых, как правило, сваркой

В качестве заземлителей молниезащитыдопускается использовать все рекомендуемые ПУЭ заземлители электроустановок, за исключением нулевых проводов воздушных линий электропередачи напряжением до 1 кВ.

Железобетонные фундаменты зданий, сооружений, наружных установок, опор молниеотводов следует, как правило, использовать в качестве заземлителей молниезащиты при условии обеспечения непрерывной электрической связи по их арматуре и присоединения ее к закладным деталям с помощью сварки.

Битумные и битумно-латексные покрытия не являются препятствием для такого использования фундаментов. В средне- и сильноагрессивных грунтах, где защита железобетона от коррозии выполняется эпоксидными и другими полимерными покрытиями, а также при влажности грунта менее 3% использовать фундаменты в качестве заземлителей не допускается.

Искусственные заземлители следует располагать под асфальтовым покрытием или в редко посещаемых местах (на газонах, в удалении на 5 м и более от грунтовых проезжих и пешеходных дорог и т.п.).

Выравнивание потенциалов внутри зданий и сооружений шириной более 100 м должны происходит за счет непрерывной электрической связи между несущими внутрицеховыми конструкциями и железобетонными фундаментами, если последние могут быть использованы в качестве заземлителей. В противном случае должна быть обеспечена прокладка внутри здания в земле на глубине не менее 0,5 м протяженных горизонтальных электродов сечением не менее 100 мм 2 . Электроды следует прокладывать не реже, чем через 60 м по ширине здания и присоединять по его торцам с двух сторон к наружному контуру заземления.

На часто посещаемых открытых площадках с повышенной опасностью поражения молнией (вблизи монументов, телебашен и подобных сооружений высотой более 100 м) выравнивание потенциала выполняется присоединением тоководов или арматуры сооружения к его железобетонному фундаменту не реже чем через 25 м по периметру основания сооружения.

При невозможности использования железобетонных фундаментов в качестве заземлителей под асфальтовым покрытием площадки на глубине не менее 0,5 м через каждые 25 м должны быть проложены радиально расходящиеся горизонтальные электроды сечением не менее 100 мм 2 и длиной 2-3 м, присоединенные к заземлителям защиты сооружения от прямых ударов молнии.

При возведении в грозовой период высоких зданий и сооружений на них в ходе строительства, начиная с высоты 20 м, необходимо предусматривать следующие временные мероприятия по молниезащите. На верхней отметке строящегося объекта должны быть закреплены молниеприемники, которые через металлические конструкции или свободно спускающиеся вдоль стен токоотводы следует присоединять к заземлителям, указанным в пп. 3.7 и 3.8 РД. В зону защиты типа Б молниеотводов должны входить все наружные площадки, где в ходе строительства могут находиться люди. Соединения элементов молниезащиты могут быть сварными или болтовыми. По мере увеличения высоты строящегося объекта молниеприемники следует переносить выше.

Устройства и мероприятия по молниезащите, отвечающие требованиям настоящих норм, должны быть заложены в проект и график строительства или реконструкции здания таким образом, чтобы выполнение молниезащиты происходило одновременно с основными строительно-монтажными работами.

Устройства молниезащиты зданий и сооружений должны быть приняты и введены в эксплуатацию к началу отделочных работ, а при наличии взрывоопасных зон - до начала комплексного опробования технологического оборудования.

При этом оформляется и передается заказчику скорректированная При строительстве и монтаже проектная документация по устройству молниезащиты (чертежи и пояснительная записка) и акты приемки устройств молниезащиты, в том числе акты на скрытые работы по присоединению заземлителей к токоотводам и токоотводов к молниеприемникам, за исключением случаев использования стального каркаса здания в качестве токоотводов и молниеприемников, а также результаты замеров сопротивлений току промышленной частоты заземлителей отдельно стоящих молниеотводов.

Проверка состояния устройств молниезащиты должна производиться для зданий и сооружений I и II категорий 1 раз в год перед началом грозового сезона, для зданий и сооружений Ш категории - не реже 1 раза в 3 года.

Проверке подлежат целость и защищенность от коррозии Доступных обзору частей молниеприемников и токоотводов и контактов между ними, а также значение сопротивления току промышленной частоту заземлителей отдельно стоящих молниеотводов. Это значение не должно превышать результаты соответствующих замеров на стадии приемки более чем в 5 раз. В противном случае следует проводить ревизию заземлителя.

В зависимости от конкретных условий возможны различные варианты (или их комбинации) молниезащиты. Проще всего оборудовать системой молниезащиты дома с металлической кровлей. Для этого достаточно подвести к двум противоположным скатам крыши токоотвод и соединить их с заземлителями (например, водопроводной трубой). В качестве токоотводов можно использовать водосточные трубы, занулив их в случае необходимости с помощью вертикального или горизонтального заземлителя.

Строение с не металлической кровлей можно оборудовать тросовой системой молниезащиты в виде натянутой вдоль конька крыши стальной проволоки диаметром 5-6 мм с молниеприемниками, расположенными выше самой высокой точки строения или его элементов. Проволоку с зазором 250 мм от конька крыши натягивают между деревянными стойками, установленными на фронтонах, если она расположена выше других элементов строения (например, дымоходной трубы), то в этом случае ее можно считать молниеприемником.

Тросовая система молниезащиты:

а - общий вид; б - крепление "вилки" на трубе; в - правильное расположение тросового молниеприемника; 1 - стержневой молниеприемник; 2 - тросовый молниеприемник; 3 - стойки;

4 - отмостка; 5 - заземлитель; 6 - зона увлажнения; 7 - пешеходная дорожка; 8 – токоотвод

МОЛНИЕОТВОД - устройство для защиты зданий и сооружений от прямых ударов молнии. М. включает в себя четыре основные части: молниеприемник, непосредственно воспринимающий удар молнии; токоотвод, соединяющий молниеприемник с заземлителем; заземлитель, через который ток молнии стекает в землю; несущую часть (опору или опоры), предназначенную для закрепления молниеприемника и токоотвода.

В зависимости от конструкции молниеприемника различают стержневые, тросовые, сетчатые и комбинированные М.

По числу совместно действующих молниеприемников их делят на одиночные, двойные и многократные.

Кроме того, по месту расположения М. бывают отдельно стоящие, изолированные и не изолированные от защищаемого здания. Защитное действие М. основано на свойстве молнии поражать наиболее высокие и хорошо заземленные металлические сооружения. Благодаря этому свойству более низкое по высоте защищаемое здание практически не поражается молнией, если оно входит в зону защиты М. Зоной защиты М. называется часть пространства, примыкающая к нему и с достаточной степенью надежности (не менее 95%) обеспечивающая защиту сооружений от прямых ударов молнии. Наиболее часто для защиты зданий и сооружений применяют стержневые М.

Тросовые М. чаще всего применяют для защиты зданий большой длины и высоковольтных линий. Эти М. изготавливают в виде горизонтальных тросов, закрепленных на опорах, по каждой из которых прокладывают токоотвод. Стержневые и тросовые М. обеспечивают одинаковую степень надежности защиты.

В качестве молниеприемников можно использовать металлическую крышу, заземленную по углам и по периметру не реже чем через каждые 25 м, или наложенную на неметаллическую крышу сетку из стальной проволоки диаметром не менее 6 мм, имеющую площадь ячеек до 150 мм2, с узлами, закрепленными сваркой, и заземленную так же, как металлическая крыша. К сетке или токопроводяшей кровле присоединяют металлические колпаки над дымовыми и вентиляционными трубами, а в случае отсутствия колпаков - специально наложенные на трубы проволочные кольца.

М. стержневой - М. с вертикальным расположением молниеприемника.

М. тросовый (протяженный) - М. с горизонтальным расположением молниеприемника, закрепленного на двух заземленных опорах.

ЗОНЫ ЗАЩИТЫ МОЛНИЕОТВОДОВ

Обычно зону защиты обозначают по максимальной вероятности прорыва, соответствующей ее внешней границе, хотя в глубине зоны вероятность прорыва существенно уменьшается.

Расчетный метод позволяет построить для стержневых и тросовых молниеотводов зону защиты с произвольным значением вероятности прорыва, т.е. для любого молниеотвода (одиночного или двойного) можно построить произвольное количество зон защиты. Однако для большинства народнохозяйственных зданий достаточный уровень защиты можно обеспечить, пользуясь двумя зонами, с вероятностью прорыва 0,1 и 0,01.

В терминах теории надежности вероятность прорыва - это параметр, характеризующий отказ молниеотвода как защитного устройства. При таком подходе двум принятым зонам защиты соответствует степень надежности 0,9 и 0,99. Эта оценка надежности справедлива при расположении объекта вблизи границы зоны защиты, например объекта в виде кольца, соосного со стержневым молниеотводом. У реальных же объектов (обычных зданий) на границе зоны защиты, как правило, расположены лишь верхние элементы, а большая часть объекта помещается в глубине зоны. Оценка надежности зоны защиты по ее внешней границе приводит к чрезмерно заниженным значениям. Поэтому, чтобы учесть существующее на практике взаимное расположение молниеотводов и объектов, зонам защиты А и Б приписана в РД 34.21.122-87 ориентировочная степень надежности 0,995 и 0,95 соответственно.

Одиночный стержневой молниеотвод.

Зона защиты одиночного стержневого молниеотвода высотой h представляет собой круговой конус (рис. П3.1), вершина которого находится на высоте h0

1.1. Зоны защиты одиночных стержневых молниеотводов высотой h? 150 м имеют следующие габаритные размеры.

Зона A: h0 = 0,85h,

r0 = (1,1 - 0,002h)h,

rx = (1,1 - 0,002h)(h - hx/0,85).

Зона Б: h0 = 0,92h;

rx =1,5(h - hx/0,92).

Для зоны Б высота одиночного стержневого молниеотвода при известных значениях h и может быть определена по формуле

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

Рис. П3.1. Зона защиты одиночного стержневого молниеотвода:

I - граница зоны защиты на уровне hx, 2 -то же на уровне земли

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 мм2 при известной высоте опор hоп и длине пролета а высота троса (в метрах) определяется:

h = hоп - 2 при а < 120 м;

h = hоп - 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 hx и rx определяется по формуле

Вертикальный заземлитель выполняется путем последовательного механизированного погружения резьбовых электродов длиной 1,2-3 метра, соединяемых между собой латунными муфтами. Стальные электроды диаметром 14,2-17,2 мм, с электрохимическим медным покрытием (чистота 99,9%) толщиной 0,25 мм. гарантирует высокую коррозионную стойкость и срок службы заземлителя в грунте не менее 40 лет. Высокая механическая прочность заземлителя позволяет погружать его на глубину до 30 метров. Медное покрытие электродов обладает высокой адгезией и пластичностью, позволяющей погружать стержни в грунт без нарушения целостности и отслаивания медного слоя.