Рекомендации по молниезащите

Величина F в любой точке пролета тросового молниеотвода определяется по формуле:

 (8)

f - стрела провеса троса в середине пролета, м, (рис. 29);

l1 - расстояние от несущей конструкции подвеса троса до рассматриваемой точки, м.

Рисунок 29. Кривые стрел провеса тросов:

1 - трос С-35 I район гололедности (Р.Г.); 2 - II Р.Г.; 3 - III Р.Г.

Известно, что грозовым разрядам, как правило, предшествуют сильные порывы ветра, которые способны вызвать отклонение тросов, имеющих практически шарнирное закрепление, в результате чего защищаемый дом может оказаться вне зоны защиты, если параметры последнего будут рассчитаны без учета действия ветра. Тем самым в наиболее опасные, с точки зрения поражения дома, моменты грозового периода может быть обеспечен свободный прорыв прямого разряда молнии в защищаемый дом.

В связи с этим при расчете параметров зоны защиты тросовых молниеотводов (особенно при больших скоростях ветра) следует обязательно учитывать возможные отклонения тросов под воздействием ветрового напора.

Отклонение троса применительно к условиям грозового режима определяется соотношением

 (9)

где φ - угол отклонения троса, град;

γ4 - удельная нагрузка на трос от давления ветра, кгс/м · мм2;

γ6 - удельная нагрузка от собственного веса троса и давления на него ветра, кгс/м · мм2.

Значения γ4 и γ6 при различных величинах скорости ветра для тросов различного сечения приведены в табл. 1. Горизонтальная проекция отклоненного троса в любой точке пролета (рис. 30) равна:

С = fnsinφ, м (10)

здесь fn - стрела провеса троса в рассматриваемой точке тросового молниеприемника, м.

Таблица 1

Величины удельных нагрузок тросов

Марка троса	Скорость ветра, м/сек	Удельные нагрузки, кгс/м · мм2 · 10-3
		γ4	γ6
С-35	20	6,72	10,85
	25	8,95	12,36
	30	11,33	14,17

Величина fn определяется из формулы (8)

Рисунок 30. К расчету отклонения тросового молниеприемника:

1 - первоначальное положение троса; 2 - положение троса в отклоненном состоянии; 3 - несущие конструкции молниеотвода.

При расчетах тросовых молниеприемников иногда необходимо учитывать также увеличение высоты молниеприемника hтр при его отклонении под воздействием ветрового напора на некоторую величину Δhтр.

В ряде случаев, особенно при больших скоростях ветра, для пролетов свыше 100 м и определенном сочетании геометрических форм защищаемого дома значение Δhтр может быть настолько существенным, что ввод в расчет этой величины становится необходимым. Значение Δhтр для таких условий следует вычислять по формуле

 (11)

Таким образом, высота тросового молниеприемника в отклоненном положении в общем случае определится выражением

h'mp = hmp + Δhmp, м. (12)

Из приведенных выше соображений по расчету зоны защиты тросового молниеотвода становится понятным, что: 1) расчетом должен заниматься специалист; 2) сложность конструктивного исполнения тросового молниеотвода, его влияние на архитектурные формы дома и высокая стоимость не приведут к массовому применению. Поэтому примеры расчета в книге не приводятся.

3.4. Зона защиты сетчатого молниеотвода

Сетчатые молниеотводы обладают достаточно высокой степенью надежности молниезащиты и по своим экономическим показателям, связанным с расходом металла, могут превосходить стержневые и тросовые молниеотводы. Однако в некоторых случаях, при невозможности использования других типов молниеотводов, они могут оказаться даже экономически выгодными или единственно возможными по конструктивным соображениям, или ради сохранения эстетического (архитектурного) облика дома. Сетчатые молниеотводы устанавливаются на защищаемом доме. Их защитная зона - все, над чем они установлены (см. рис. 31).

Основными недостатками сетчатых молниеотводов можно считать следующие:

1. Повышенный расход металла;

2. Невозможность непосредственной укладки по сгораемым кровлям;

3. Необходимость укрытия под кровлю для обеспечения беспрепятственной чистки кровли от снега и льда;

4. Возможный прожог кровельного материала при прямом разряде молнии;

5. Необходимость удаления заземленных элементов в доме от сетки и токоотводов на расстояние до 1 м из-за возможных перекрытий во время разряда молнии;

6. Необходимость установки стержневых молниеприемников на выступающих над сеткой конструктивных элементах дома (дымоходы, трубы, антенны и т.п.).

3.5. Зона защиты покровного молниеотвода

В последние годы все больше сооружается коттеджей с металлической кровлей. Это и традиционные способы покрытия металлическими листами со сборкой их с помощью кровельного шва, с применением гофрированных листов металла, металлочерепицы.

С точки зрения использования таких покрытий в качестве молниеприемников следует четко различать их способность к приему и отводу молнии в землю.

Рисунок 31. Примеры устройства сетчатых молниеотводов:

а) на односкатной крыше; б) на двухскатной двухуровневой; 1 - проводник молниеприемника сетчатого молниеотвода; 2 - токоотвод; 3 - сварной контакт токоотвода с заземлителем; 4 - соединительный зажим для замера сопротивления заземлителя; 5 - протяженный заземлитель; 6 - соединительный зажим молниеприемника.

Кровли, собранные с помощью кровельного шва, и кровли из гофрированных листов, собранные таким образом, что все листы имеют металлическую связь между собой через элементы крепления к обрешетке (например, винтами-саморезами) и необходимое количество токоотводов - могут использоваться в качестве молниеприемников (см. рис. 8). Естественно, что при прямом разряде молнии возможен прожог металла в месте разряда. Но, учитывая, что молнии будут поражать дом далеко не каждый год, эта неприятность, легко устранима.

Другое дело металлочерепица. Изолированная поверхность листов металлочерепицы при правильном крое (на поставляющей фирме) и правильной укладке по обрешетке с закреплением винтами-саморезами по выпуклости, создает некоторое контактное соединение, способное разве только для отвода на землю потенциалов, наведенных в кровле при разрядах молнии в стороне от дома и других природных явлений (снег, дождь, ветер и т.п.), но такие соединения неспособны отвести ток молнии. А, учитывая малую толщину листа и его большие размеры (от конька до свеса кровли) замена его при прожоге будет сопряжена с немалыми трудностями и стоимостью.

Естественно, что в зоне защиты покровного молниеотвода будет все то, что под кровлей.

К основным недостаткам покровных молниеотводов следует отнести:

1. Возможный прожог при прямом разряде молнии;

2. Необходимость установки стержневых молниеприемников на выступающих над кровлей конструктивных элементах дома (дымоходы, вентиляционные трубы, антенны и т.п.);

3. Некоторые сложности с присоединением токоотводов к кровле и др.

 

3.6. Зона защиты струнного молниеотвода

Для «неответственных» объектов на приусадебных участках и садовых домиков с неметаллической кровлей целесообразно применение упрощенной молниезащиты с помощью струнных молниеприемников. Зона применимости этих молниеприемников - кровли с углом не более 100°. Молниеприемник - сталь круглая (катанка) 6 - 8 мм оцинкованная или с коррозийно-стойким покрытием, укладывается вдоль конька крыши с креплением к ней на расстоянии не менее 10 см в свету на деревянных или иных изолирующих прокладках. Концы молниеприемника загибаются на длине 25 - 30 см и служат в качестве вертикальных молниеприемников и присоединяются к токоотводам (см. рис. 31 и 3.6 Приложения III).

По опыту применения подобных молниеприемников на Западе и рекомендациям стандартов МЭК по молниезащите, такие горизонтальные молниеприемники имеют защитный угол 55 градусов. При незначительной стоимости и легкости выполнения эти молниеотводы могут широко применяться.

К недостаткам следует отнести:

1. Необходимость установки стержневых молниеприемников на выступающих над кровлей конструктивных элементах дома.

2. Необходимость установки изолирующих прокладок по коньку кровли через 1 м.

3. Ограниченный защитный угол молниеотвода.

3.7. Допустимое расстояние между молниеотводами и защищаемыми зданиями

Само собой разумеется, что защищаемый дом (хозпостройка) должен полностью располагаться в зоне защиты молниеотвода. Однако он должен располагаться на определенном расстоянии от молниеотвода. Если это расстояние меньше допустимого, то при разрядах молнии могут происходить перекрытия (разряды) с элементов молниеотвода (несущей конструкции, токоотвода) на защищаемый дом.

Рисунок 31 А. Пример устройства молниезащиты дома с помощью струнного молниеотвода

1 - струнный молниеприемник; 2 - токоотвод; 3 - защитная зона; 4 - защитный угол.

Молниезащитное устройство дома, включающее в себя молниеприемник, токоотвод и заземлитель, имеют электрическое сопротивление (активное и индуктивное). Наибольшей частью активного сопротивления обладает заземлитель, с которого ток молнии стекает в землю, т.е. переходное сопротивление между заземлителем и грунтом. Токоотвод представляет собой индуктивность, величина которой зависит от его длины.

Ток молнии, проходя по элементам молниеотвода в землю создает падение напряжения на сопротивлении заземления и индуктивности токоотвода. Падение напряжения UR на сопротивлении заземления RИ (см. ниже) равно:

UR = IМRИ, (13)

где IМ - ток молнии.

Падение напряжения на индуктивности токоотвода L

UL = aL, (14)

где a - средняя скорость (крутизна) нарастания тока молнии.

Максимальный потенциал в точке токоотвода, расположенной на расстоянии L от заземлителя (рис. 32), при разряде молнии в молниеотвод составляет:

Ul = IМRИ + aL. (15)

Рисунок 32. К определению допустимого расстояния между молниеотводом и защищаемым сооружением:

1 - деревянная стойка молниеотвода; 2 - молниеприемник; 3 - токоотвод, укрепленный на стойке; 4 - заземлитель; 5 - подземные коммуникации.

Для расчета потенциала молниеотвода принимается амплитуда тока молнии IМ = 150 кА и средняя крутизна его фронта а = 30 кА/мкс. Индуктивность токоотвода L можно выразить через произведение удельной индуктивности L0 (индуктивности единицы длины) на его длину l.

L = L0l. (16)

Как для металлических молниеотводов решетчатой конструкции, так и для отдельно проложенных токоотводов L0 ≈ 1,7 мкГ/м. Таким образом, для расчетных условий максимальный потенциал, кВ:

Ul = 150RИ + 30´1,7´l (17)

Амплитуда напряжения на молниеотводах оказывается весьма высокой; например, при RИ = 10 Ом на расстоянии l = 10 м от заземлителя получим:

Ul = 150´10 + 30´1,7´10 = 2000 кВ.

Потенциал заземлителя при этом будет равняться:

UЗ = IМRИ = 150´10 = 1500 кВ.

Очевидно, чтобы не было перекрытия с молниеотвода на защищаемый объект, прочность изоляции между ними должна быть выше величины напряжения на молниеотводе.

В том случае, когда объект и молниеотвод разделены воздушным промежутком длиной SB, необходимо выполнить условие:

SB ≥ Ul/Е, (18)

где Е - допустимая средняя напряженность электрического поля в воздухе, при которой невозможен пробой промежутка между молниеотводом и объектом; она равна 500 кВ/м.

Если в (18) подставить значение Е и Ul, из (17), то длина воздушного промежутка, м будет:

 (19)

Чтобы исключить возможность перекрытия в земле с заземлителя на входящие в здание металлические коммуникации электрический кабель и др., нужно выдержать между ними расстояние, м равное:

 (20)

E1 = 300 кВ/м - допустимая средняя напряженность электрического поля в земле.

Таким образом, допускаемое расстояние в точках сближения молниеотвода и объекта зависит от сопротивления заземления молниеотвода и высоты над землей точки сближения. Если известны SB, SЗ и l, то по формулам (19) и (20) легко найти величину сопротивления заземления, обеспечивающую безопасность сближения.

Аналогичное положение возникает в случае разряда молнии в молниеотвод, расположенный на здании. В этом случае между молниезащитным устройством и заземленными объектами внутри здания (электропроводкой, трубопроводами различного назначения, металлическими элементами дома) также должно быть обеспечено необходимое расстояние, иначе между ними произойдет пробой, который может вызвать местное повреждение дома и может оказаться опасным также и для людей, находящихся в этот момент в доме. Расчет необходимого расстояния в месте сближения в случае одного токоотвода может производиться по формуле (19), однако если часть промежутка SB занимает кирпичная (или из какого-либо другого непроводящего материала) стена, то ее следует учитывать утроенной толщиной.

Если здание имеет n токоотводов, то допустимое расстояние в точке сближения с одним из токоотводов определяется по формуле: