При расчете ВЛ и их элементов должны учитываться климатические условия - ветровое давление, толщина стенки гололеда, температура воздуха, степень агрессивного воздействия окружающей среды, интенсивность грозовой деятельности, пляска проводов и тросов, вибрация.
Определение расчетных условий по ветру и гололеду должно производиться на основании соответствующих карт климатического районирования территории РФ (рис.2.5.1, 2.5.2 - см. цветную вклейку) с уточнением при необходимости их параметров в сторону увеличения или уменьшения по региональным картам и материалам многолетних наблюдений гидрометеорологических станций и метеопостов за скоростью ветра, массой, размерами и видом гололедно-изморозевых отложений. В малоизученных районах* для этой цели могут организовываться специальные обследования и наблюдения.
* К малоизученным районам относятся горная местность и районы, где на 100 км трассы ВЛ для характеристики климатических условий имеется только одна репрезентативная метеорологическая станция.
При отсутствии региональных карт значения климатических параметров уточняются путем обработки соответствующих данных многолетних наблюдений согласно методическим указаниям (МУ) по расчету климатических нагрузок на ВЛ и построению региональных карт с повторяемостью 1 раз в 25 лет.
Основой для районирования по ветровому давлению служат значения максимальных скоростей ветра с 10-минутным интервалом осреднения скоростей на высоте 10 м с повторяемостью 1 раз в 25 лет. Районирование по гололеду производится по максимальной толщине стенки отложения гололеда цилиндрической формы при плотности 0,9 г/см на проводе диаметром 10 мм, расположенном на высоте 10 м над поверхностью земли, повторяемостью 1 раз в 25 лет.
Температура воздуха определяется на основании данных метеорологических станций с учетом положений строительных норм и правил и указаний настоящих Правил.
Интенсивность грозовой деятельности должна определяться по картам районирования территории РФ по числу грозовых часов в году (рис.2.5.3 - см. цветную вклейку), региональным картам с уточнением при необходимости по данным метеостанций о среднегодовой продолжительности гроз.
Степень агрессивного воздействия окружающей среды определяется с учетом положений СНиПов и государственных стандартов, содержащих требования к применению элементов ВЛ, гл.1.9 и указаний настоящей главы.
Определение районов по частоте повторяемости и интенсивности пляски проводов и тросов должно производиться по карте районирования территории РФ (рис.2.5.4 - см. цветную вклейку) с уточнением по данным эксплуатации.
По частоте повторяемости и интенсивности пляски проводов и тросов территория РФ делится на районы с умеренной пляской проводов (частота повторяемости пляски 1 раз в 5 лет и менее) и с частой и интенсивной пляской проводов (частота повторяемости более 1 раза в 5 лет).
При определении климатических условий должно быть учтено влияние на интенсивность гололедообразования и на скорость ветра особенностей микрорельефа местности (небольшие холмы и котловины, высокие насыпи, овраги, балки и т.п.), а в горных районах - особенностей микро- и мезорельефа местности (гребни, склоны, платообразные участки, днища долин, межгорные долины и т.п.).
Значения максимальных ветровых давлений и толщин стенок гололеда для ВЛ определяются на высоте 10 м над поверхностью земли с повторяемостью 1 раз в 25 лет (нормативные значения).
Нормативное ветровое давление , соответствующее 10-минутному интервалу осреднения скорости ветра (), на высоте 10 м над поверхностью земли принимается по табл.2.5.1 в соответствии с картой районирования территории России по ветровому давлению (рис.2.5.1) или по региональным картам районирования.
Полученное при обработке метеоданных нормативное ветровое давление следует округлять до ближайшего большего значения, приведенного в табл.2.5.1.
Ветровое давление определяется по формуле, Па
Ветровое давление более 1500 Па должно округляться до ближайшего большего значения, кратного 250 Па.
Для ВЛ 110-750 кВ нормативное ветровое давление должно приниматься не менее 500 Па.
Для ВЛ, сооружаемых в труднодоступных местностях, ветровое давление рекомендуется принимать соответствующим району на один выше, чем принято для данного региона по региональным картам районирования или на основании обработки материалов многолетних наблюдений.
Для участков ВЛ, сооружаемых в условиях, способствующих резкому увеличению скоростей ветра (высокий берег большой реки, резко выделяющаяся над окружающей местностью возвышенность, гребневые зоны хребтов, межгорные долины, открытые для сильных ветров, прибрежная полоса морей и океанов, больших озер и водохранилищ в пределах 3-5 км), при отсутствии данных наблюдений нормативное ветровое давление следует увеличивать на 40% по сравнению с принятым для данного района. Полученные значения следует округлять до ближайшего значения, указанного в табл.2.5.1.
Нормативное ветровое давление при гололеде с повторяемостью 1 раз в 25 лет определяется по формуле 2.5.41, по скорости ветра при гололеде .
Скорость ветра принимается по региональному районированию ветровых нагрузок при гололеде или определяется по данным наблюдений согласно методическим указаниям по расчету климатических нагрузок. При отсутствии региональных карт и данных наблюдений . Для ВЛ до 20 кВ нормативное ветровое давление при гололеде должно приниматься не менее 200 Па, для ВЛ 330-750 кВ - не менее 160 Па.
Нормативные ветровые давления (скорости ветра) при гололеде округляются до ближайших следующих значений, Па (м/с): 80 (11), 120 (14), 160 (16), 200 (18), 240 (20), 280 (21), 320 (23), 360 (24).
Значения более 360 Па должны округляться до ближайшего значения, кратного 40 Па.
Ветровое давление на провода ВЛ определяется по высоте расположения приведенного центра тяжести всех проводов, на тросы - по высоте расположения центра тяжести тросов, на конструкции опор ВЛ - по высоте расположения средних точек зон, отсчитываемых от отметки поверхности земли в месте установки опоры. Высота каждой зоны должна быть не более 10 м.
Для различных высот расположения центра тяжести проводов, тросов, а также средних точек зон конструкции опор ВЛ ветровое давление определяется умножением его значения на коэффициент , принимаемый по табл.2.5.2.
Высота расположения приведенного центра тяжести проводов, тросов и средних точек зон конструкций опор ВЛ над поверхностью земли, м |
Коэффициент для типов местности |
||
| А | В | С | |
| До 15 | 1,00 | 0,65 | 0,40 |
| 20 | 1,25 | 0,85 | 0,55 |
| 40 | 1,50 | 1,10 | 0,80 |
| 60 | 1,70 | 1,30 | 1,00 |
| 80 | 1,85 | 1,45 | 1,15 |
| 100 | 2,00 | 1,60 | 1,25 |
| 150 | 2,25 | 1,90 | 1,55 |
| 200 | 2,45 | 2,10 | 1,80 |
| 250 | 2,65 | 2,30 | 2,00 |
| 300 | 2,75 | 2,50 | 2,20 |
| 350 и выше | 2,75 | 2,75 | 2,35 |
Примечание. Типы местности соответствуют определениям, приведенным в 2.5.6.
Полученные значения ветрового давления должны быть округлены до целого числа.
Для промежуточных высот значения коэффициентов определяются линейной интерполяцией.
Высота расположения приведенного центра тяжести проводов или тросов для габаритного пролета определяется по формуле, м
,
где - среднеарифметическое значение высоты крепления проводов к изоляторам или среднеарифметическое значение высоты крепления тросов к опоре, отсчитываемое от отметок земли в местах установки опор, м;
Стрела провеса провода или троса в середине пролета при высшей температуре, м.
При расчете проводов и тросов ветер следует принимать направленным под углом 90° к оси ВЛ.
При расчете опор ветер следует принимать направленным под углом 0°, 45° и 90° к оси ВЛ, при этом для угловых опор за ось ВЛ принимается направление биссектрисы внешнего угла поворота, образованного смежными участками линии.
Формально расчет предельно прост. Нужно знать площадь стягивания молний в здание S ст и их удельную плотность n M в месте его расположения. Произведение этих величин дает среднее ожидаемое число прямых ударов молнии в год:
N M = n M S ст (1)
В подавляющем большинстве практических ситуаций N M T мол ≈ 1/N M (2)
Во всех справочных материалах величина n M дается на 1 км 2 в год. Поэтому расчетное значение T мол оценивается в годах. Если, например, получено N M = 0,03, значит нужно в среднем ожидать один удар молнии за 1: 0,03 ≈ 33 года эксплуатации.
Понятие “в среднем” имеет здесь определяющее значение. Удар молнии в конкретное здание не обязательно произойдет через 33 года, До этого печального события, если не повезет, может пройти всего 1 - 2 года, а возможно и 100 лет (для особо везучих). Оцененный срок действительно средний . Он может быть подтвержден только многолетней статистикой наблюдений за большим числом однотипных зданий.
Таблица 1 заимствована из нормативного документа РД 34.21.122-87.
Таблица 1
Чтобы найти величину n M , нужно сначала обратиться к карте продолжительности гроз (она тоже есть в нормативе), снять с нее среднегодовую продолжительность гроз для места расположения рассматриваемого здания и потом по таблице 1 получить искомое n M . Надо ли говорить, насколько приблизительным будет результат расчета. Хотелось бы оперировать более строгими цифрами, полученными, например, системой дистанционной регистрации интенсивности грозовой деятельности с пространственным разрешением хотя бы 200 - 500 м. К сожалению, в отличие от многих технически развитых стран, на территории России такая система пока еще не развернута.
Понятно, что в сложившейся ситуации бессмысленно тратить большие усилия на строгое вычисление площади стягивания. По опыту наблюдений за сооружениями разной высоты принято, что она ограничивается линией, удаленной от внешнего периметра объекта на расстояние, равного 3-м его высотам. Построение легко выполнить. Потом остается вычислить ограниченную площадь (внутри синей линии на рис. 1) любым методом, в крайнем случае, - по клеточкам на миллиметровке. При большой неопределенности значения nM погрешность вычисления площади вряд ли будет сколько-нибудь значима.
Рисунок 1
Часто элементы здания имеют разную высоту. В этом случае радиус стягивания можно оценить по высоте наиболее высокого элемента. Результат ожидаемого числа ударов даст тогда оценку сверху. Для уточнения расчета нужно построить площади для всех различных по высоте строительных фрагментов и провести их общую внешнюю границу, как это показано на рис. 2. Ограниченная ею территория даст уточненную площадь стягивания для здания в целом.
Рисунок 2
Выполненные построения справедливы только для уединенного здания. Соседние строения или высокие деревья могут сильно изменить результат. Представьте себе район городской застройки или садовый кооператив, где дома стоят едва ли не вплотную. Их зоны стягивания молний частично накладываются друг на друга. В итоге ожидаемое число ударов в каждый из домов будет меньше. При сопоставимой высоте соседних зданий можно считать, что из наложенных друг на друга участков зон стягивания молнии распределятся поровну между домами. Если же высоты принципиально различны, а их зоны стягивания перекрываются значительной долей, приходится прибегать к компьютерному расчету. Так же нужно поступать и в случае, когда заказчик требует большой точности.
На практике необходимость уточненных расчетов возникает редко. Оценка числа ударов молнии для уединенно расположенного здания всегда можно рассматривать как предельную, а ошибка даже на уровне значащей цифры вполне допустима из-за грубой оценки плотности грозовых разрядов на территории России.
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:
0 " style="margin-left:2.0pt;border-collapse:collapse;border:none">
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 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 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 h0, r0, rx1, rx2 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 hx1; 2 - то же на уровне hx2, 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 hc и L (при rcx = 0) высота молниеотвода для зоны Б определяется по формуле h = (hc + 0,14L) / l,06. 2.2. Зона защиты двух стержневых молниеотводов разной высоты h1, и h2 £ 150 м приведена на рис. П размеры торцевых областей зон защиты h01, h02, r01, r02, rx1, rx2 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 hc1 и hc2 вычисляются по формулам для hc п. 2.1 настоящего приложения. Для двух молниеотводов разной высоты построение зоны А двойного стержневого молниеотвода выполняется при L £ 4hmin, а зоны Б - при L £ 6hmin. При соответствующих больших расстояниях между молниеотводами они рассматриваются как одиночные. Рис. П3.3 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 hx с надежностью, соответствующей надежности зоны А и зоны Б, является выполнение неравенства rcx > 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 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 < 150м. 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 5. Двойной тросовый молниеотвод. 5.1. Зона защиты двойного тросового молниеотвода высотой h£150 м приведена на рис. П3.6. Размеры r0, h0, rx 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 hc и L (при rcx = 0) высота тросового молниеотвода для зоны Б определяется по формуле h = (hc + 0,12L)/1,06. Рис. П3.7. Зона защиты двух тросовых молниеотводов разной высоты 5.2. Зона защиты двух тросов разной высоты h1 и h2 приведена на рис. П3.7. Значения r01, r02, h01, h02, rx1, rx2 определяются по формулам п. 4 настоящего приложения как для одиночного тросового молниеотвода. Для определения размеров rc и hс используются формулы: где hc1 и hc2 вычисляются по формулам для hc П.5.1 настоящего приложения. (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. 2. ХАРАКТЕРИСТИКИ ГРОЗОВОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ
Об интенсивности грозовой деятельности в различных географических пунктах можно судить по данным разветвленной сети метеорологических станций о повторяемости и продолжительности гроз, регистрируемых в днях и часах за год по слышимому грому в начале и конце грозы. Однако более важной и информативной характеристикой для оценки возможного числа поражений объектов молнией является плотность ударов нисходящих молний на единицу земной поверхности. Плотность ударов молнии в землю сильно колеблется по регионам земного шара и зависит от геологических, климатических и других факторов. При общей тенденции роста этого значения от полюсов к экватору оно, например, резко сокращается в пустынях и возрастает в регионах с интенсивными процессами испарения. Особенно велико влияние рельефа в горной местности, где грозовые фронты преимущественно распространяются по узким коридорам, поэтому в пределах небольшой площади возможны резкие колебания плотности разрядов в землю. В целом по территории земного шара плотность ударов молнии варьируется практически от нуля в приполярных областях до 20-30 разрядов на 1 км земли за год во влажных тропических зонах. Для одного и того же региона возможны вариации от года к году, поэтому для достоверной оценки плотности разрядов в землю необходимо многолетнее усреднение. В настоящее время ограниченное количество пунктов земного шара оборудовано счетчиками молний, и для небольших территорий возможны непосредственные оценки плотности разрядов в землю. В массовых масштабах (например, для всей территории СССР) регистрация числа ударов молнии в землю пока невыполнима из-за трудоемкости и недостатка надежной аппаратуры. Однако для географических пунктов, в которых установлены счетчики молний и ведутся метеорологические наблюдения за грозами, обнаружена корреляционная связь между плотностью разрядов в землю и повторяемостью или продолжительностью гроз, хотя каждый из перечисленных параметров подвержен разбросу от года к году или от грозы к грозе. В РД 34.21.122-87 эта корреляционная зависимость, представленная в приложении 2, распространена на всю территорию СССР и связывает чисто ударов нисходящей молнии в 1 км2 земной поверхности с конкретной продолжительностью гроз в часах. Данные метеорологических станций о продолжительности гроз усреднены за период с 1936 по 1978 г. и в виде линий, характеризующихся постоянным числом часов с грозой в год, нанесены на географическую карту СССР (рис. 3 РД 34.21.122-87); при этом продолжительность грозы для любого пункта задается в интервале между двумя ближайшими к нему линиями. Для некоторых областей СССР на базе инструментальных исследований составлены региональные карты продолжительности гроз, эти карты также рекомендованы к использованию (см. приложение 2 РД34.21.122- 87) Таким косвенным путем (через данные о продолжительности гроз) удается ввести районирование территории СССР по плотности ударов молнии в землю. 3. КОЛИЧЕСТВО ПОРАЖЕНИЙ МОЛНИЕЙ НАЗЕМНЫХ СООРУЖЕНИЙ
Согласно требованиям табл. 1 РД 34.21.122-87 для ряда объектов ожидаемое количество поражений молнией является показателем, определяющим необходимость выполнения молниезащиты и ее надежность. Поэтому нужно располагать способом оценки этого значения еще на стадии проектирования объекта. Желательно, чтобы этот способ учитывал известные характеристики грозовой деятельности и другие сведения о молнии. При подсчете числа поражений нисходящими молниями используется следующее представление: возвышающийся объект принимает на себя разряды, которые в его отсутствие поразили бы поверхность земли определенной площади (так называемую поверхность стягивания). Эта площадь имеет форму круга для сосредоточенного объекта (вертикальной трубы или башни) и форму прямоугольника для протяженного объекта, например, воздушной линии электропередачи. Число поражений объекта равно произведению площади стягивания на плотность разрядов молнии в месте его расположения. Например, для сосредоточенного объекта где R0 - радиус стягивания; n - среднегодовое число ударов молнии в 1 км2 земной поверхности. Для протяженного объекта длиной l
Имеющаяся статистика поражений объектов разной высоты в местностях с разной продолжительностью гроз позволила ориентировочно определить связь между радиусом стягивания R0 и высотой объекта h. Несмотря на значительный разброс, в среднем можно принять R0 = 3h. Приведенные соотношения положены в основу формул расчета ожидаемого количества поражений молнией сосредоточенных объектов и объектов с заданными габаритами в приложении 2 РД 34.21.122-87. Грозопоражаемость объектов ставится в прямую зависимость от плотности разрядов молнии в землю и соответственно от региональной продолжительности гроз в соответствии с данными приложения 2. Можно предположить, что вероятность поражения объекта растет, например с ростом амплитуды тока молнии, и зависит от других параметров разряда. Однако имеющаяся статистика поражений получена способами (фотографированием ударов молнии, регистрацией специальными счетчиками), не позволяющими выделить влияние других факторов, кроме интенсивности грозовой деятельности. Оценим теперь по формулам приложения 2, как часто возможны поражения молнией объектов разных размеров и формы. Например, при средней продолжительности гроз 40-60 ч в год в сосредоточенный объект высотой 50 м (например, дымовую трубу) можно ожидать не более одного поражения за 3-4 года, а в здание высотой 20 м и размерами в плане 100х100 м (типичное по габаритам для многих видов производства) - не более одного поражения за 5 лет. Таким образом, при умеренных размерах зданий и сооружений (высоте в пределах 20-50 м, длине и ширине примерно 100 м) поражение молнией является редким событием. Для небольших строений (с габаритами примерно 10 м) ожидаемое количество поражений молнией редко превышает 0,02 за год, а это значит, что за весь срок их службы может произойти не более одного удара молнии. По этой причине согласно РД 34.21.122-87 для некоторых небольших строений (даже при низкой огнестойкости) выполнение молниезащиты вообще не предусматривается или существенно упрощается. Для сосредоточенных объектов число поражений нисходящими молниями растет в квадратичной зависимости от высоты и в районах с умеренной продолжительностью гроз при высоте объектов около 150 м составляет один-два удара за год. С сосредоточенных объектов большей высоты возбуждаются восходящие молнии, количество которых также пропорционально квадрату высоты. Такое представление о поражаемости высоких объектов подтверждают наблюдения, проводимые на Останкинской телевизионной башне высотой 540 м: ежегодно в нее происходит около 30 ударов молнии и более 90% из них приходится на восходящие разряды, число поражений нисходящими молниями сохраняется на уровне одного-двух в год. Таким образом, для сосредоточенных объектов высотой более 150 м количество поражений нисходящими молниями мало зависит от высоты. 4. ОПАСНЫЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ МОЛНИИ
В перечне основных терминов (приложение 1 РД 34.21.122-87) перечислены возможные виды воздействия молнии на различные наземные объекты. В настоящем параграфе сведения об опасных воздействиях молнии изложены более подробно. Воздействия молнии принято подразделять на две основные группы: первичные, вызванные прямым ударом молнии, и вторичные, индуцированные близкими ее разрядами или занесенные в объект протяженными металлическими коммуникациями. Опасность прямого удара и вторичных воздействий молнии для зданий и сооружений и находящихся в них людей или животных определяется, с одной стороны, параметрами разряда молнии, а с другой - технологическими и конструктивными характеристиками объекта (наличием взрыво - или пожароопасных зон, огнестойкостью строительных конструкций, видом вводимых коммуникаций, их расположением внутри объекта и т. д.). Прямой удар молнии вызывает следующие воздействия на объект: электрические, связанные с поражением людей или животных электрическим током и появлением перенапряжении на пораженных элементах. Перенапряжение пропорционально амплитуде и крутизне тока молнии, индуктивности конструкций и сопротивлению заземлителей, по которым ток молнии отводится в землю. Даже при выполнении молниезащиты прямые удары молния с большими токами и крутизной могут привести к перенапряжениям в несколько мегавольт. При отсутствии молниезащиты пути растекания тока молнии неконтролируемы и ее удар может создать опасность поражения током, опасные напряжения шага и прикосновения, перекрытия на другие объекты; термические, связанные с резким выделением теплоты при прямом контакте канала молнии с содержимым объекта и при протекании через объект тока молнии. Выделяемая в канале молнии энергия определяется переносимым зарядом, длительностью вспышки и амплитудой тока молнии; и 95% случаев разрядов молнии эта энергия (в расчете на сопротивление 1 Ом) превышает 5,5 Дж, она на два-три порядка превышает минимальную энергию воспламенения большинства газо-, паро - и пылевоздушных смесей, используемых в промышленности. Следовательно, в таких средах контакт с каналом молнии всегда создает опасность воспламенения (а в некоторых случаях взрыва), то же относится к случаям проплавления каналом молнии корпусов взрывоопасных наружных установок. При протекании тока молнии по тонким проводникам создается опасность их расплавления и разрыва; механические, обусловленные ударной волной, распространяющейся от канала молнии, и электродинамическими силами, действующими на проводники с токами молнии. Это воздействие может быть причиной, например, сплющивания тонких металлических трубок. Контакт с каналом молнии может вызвать резкое паро - или газообразование в некоторых материалах с последующим механическим разрушением, например, расщеплением древесины или образованием трещин в бетоне. Вторичные проявления молнии связаны с действием на объект электромагнитного ноля близких разрядов. Обычно это поле рассматривают в виде двух составляющих: первая обусловлена перемещением зарядов в лидере и канале молнии, вторая - изменением тока молнии во времени. Эти составляющие иногда называют электростатической и электромагнитной индукцией. Электростатическая индукция проявляется в виде перенапряжения, возникающего на металлических конструкциях объекта и зависящего от тока молнии, расстояния до места удара и сопротивления заземлителя. При отсутствии надлежащего заземлителя перенапряжение может достигать сотен киловольт и создавать опасность поражения людей и перекрытий между разными частями объекта. Электромагнитная индукция связана с образованием в металлических контурах ЭДС, пропорциональной крутизне тока молнии и площади, охватываемой контуром. Протяженные коммуникации в современных производственных зданиях могут образовывать охватывающие большую площадь контуры, в которых возможно наведение ЭДС в несколько десятков киловольт. В местах сближения протяженных металлических конструкций, в разрывах незамкнутых контуров создается опасность перекрытий и искрений с возможным рассеянием энергии около десятых долей джоуля. Еще одним видом опасного воздействия молнии является занос высокого потенциала по вводимым в объект коммуникациям (проводам воздушных линий электропередачи, кабелям, трубопроводам). Он представляет собой перенапряжение, возникающее на коммуникации при прямых и близких ударах молнии и распространяющееся в виде набегающей на объект волны. Опасность создается за счет возможных перекрытий с коммуникации на заземленные части объекта. Подземные коммуникации также представляют опасность, так как могут принять на себя часть растекающихся в земле токов молнии и занести их в объект. 5. КЛАССИФИКАЦИЯ ЗАЩИЩАЕМЫХ ОБЪЕКТОВ Тяжесть последствий удара молнии зависит прежде всего от взрыво - или пожароопасности здания или сооружения при термических воздействиях молнии, а также искрениях и перекрытиях, вызванных другими видами воздействий. Например в производствах, постоянно связанных с открытым огнем, процессами горения, применением несгораемых материалов и конструкции, протекание тока молнии не представляет большой опасности. Напротив, наличие внутри объекта взрывоопасной среды создаст угрозу разрушений, человеческих жертв, больших материальных ущербов. При таком разнообразии технологических условий предъявлять одинаковые требования к молниезащите всех объектов означало бы или вкладывать в ее выполните чрезмерные запасы, или мириться с неизбежностью значительных ущербов, вызванных молнией. Поэтому в РД 34.21.122-87 принят дифференцированный подход к выполнению молниезащиты различных объектов, в связи с чем в табл. 1 этой Инструкции здания и сооружения разделены на три категории, отличающиеся по тяжести возможных последствий поражения молнией. К I категории отнесены производственные помещения, в которых в нормальных технологических режимах могут находиться и образовываться взрывоопасные концентрации газов, паров, пылей, волокон. Любое поражение молнией, вызывая взрыв, создает повышенную опасность разрушений и жертв не только для данного объекта, но и для близрасположенных. Во II категорию попадают производственные здания и сооружения, в которых появление взрывоопасной концентрации происходит в результате нарушения нормального технологического режима, а также наружные установки, содержащие взрывоопасные жидкости и газы. Для этих объектов удар молнии создает опасность взрыва только при совпадении с технологической аварией или срабатыванием дыхательных или аварийных клапанов на наружных установках. Благодаря умеренной продолжительности гроз на территории СССР вероятность совпадения этих событий достаточно мала. К III категории отнесены объекты, последствия поражения которых связаны с меньшим материальным ущербом, чем при взрывоопасной среде. Сюда входят здания и сооружения с пожароопасными помещениями или строительными конструкциями низкой огнестойкости, причем для них требования к молниезащите ужесточаются с увеличением вероятности поражения объекта (ожидаемого количества поражений молнией). Кроме того, к III категории отнесены объекты, поражение которых представляет опасность электрического воздействия на людей и животных: большие общественные здания , животноводческие строения, высокие сооружения типа труб, башен, монументов. Наконец, к III категории отнесены мелкие строения в сельской местности, где чаще всего используются сгораемые конструкции. Согласно статистическим данным на эти объекты приходится значительная доля пожаров, вызванных грозой. Из-за небольшой стоимости этих строений их молниезащита выполняется упрощенными способами, не требующими значительных материальных затрат (п. 2.30).
;
;
;
;
;
;;
;;
;;
;
Страница 2 из 7
2. Основные характеристики грозовой деятельности и разрядов молнии
Формирование грозовой облачности и, следовательно, грозовая деятельность зависит от климатических условий и рельефа местности. Поэтому грозовая деятельность над различными участками земной поверхности неодинакова. Для расчета грозозащитных мероприятий необходимо знать конкретную величину, характеризующую грозовую деятельность в данной местности. Такой величиной является интенсивность грозовой деятельности, которую принято определять числом грозовых часов или грозовых дней в году, вычисляемым как среднеарифметическое значение за ряд лет наблюдений для определенного места земной поверхности.
Интенсивность грозовой деятельности в данном районе земной поверхности определяется также числом ударов молнии в год, приходящихся на 1 км 2 земной поверхности.
Среднее число поражений молнией 1 км 2 земной поверхности в год определяется в зависимости от среднегодовой продолжительности гроз и приведено в табл. 1.
Таблица 1. Среднее число поражений молнией
Рис. 1. Карта среднегодовой продолжительности гроз в грозо-часах на территории России, стран ближнего зарубежья и стран Балтии
На рисунке 1 приведена карта среднегодовой продолжительности гроз в грозо-часах на территории России, стран ближнего зарубежья и стран Балтии.
Ожидаемое количество поражений молнией в год зданий и сооружений высотой не более 60 м, не оборудованных молниезащитой, имеющих неизменную высоту (рис. 4а), определяется по формуле
где:
S - ширина защищаемого здания (сооружения), м; L - длина защищаемого здания (сооружения), м; hx - высота здания по его боковым сторонам, м;
п - среднее число поражений молнией 1 км 2 земной поверхности в год в районе строительства здания.
Формула приведена с учетом того, что число поражений молнией здания или сооружения пропорционально площади, занимаемой не только самим зданием или сооружением, но и суммой площадей проекций защитных зон, создаваемых гранями и углами кровли здания или сооружения. Если части здания имеют неодинаковую высоту (рис. 4б), то зона защиты, создаваемая высотной частью, может охватывать всю остальную часть здания. Если зона защиты высотной части не охватывает всего здания, необходимо учесть часть здания, находящуюся вне зоны защиты высотной части.
Рис. 4. Зона защиты, создаваемая сооружениями а - здания с одной высотой; б - здания, имеющие разные высоты.
Рекомендуемая формула позволяет произвести количественную оценку вероятности поражения молнией различных сооружений, расположенных в равнинной местности с достаточно однородными грунтовыми условиями.
Следует отметить, что значение параметра п, входящего в расчетную формулу, может в несколько раз отличаться от значений, приведенных выше. В горных районах большая часть разрядов молнии происходит между облаками, поэтому значение п может оказаться существенно меньше. Районы, где имеются слои почвы высокой проводимости, как показывают наблюдения, избирательно поражаются разрядами молнии, поэтому значение п в этих районах может оказаться существенно выше. Избирательно могут поражаться районы с плохо проводящими грунтами, в которых проложены протяженные металлические коммуникации (кабельные линии, металлические трубопроводы). Избирательно поражаются также возвышающиеся над поверхностью земли металлические предметы (вышки, дымовые трубы).
Ток, протекающий через пораженный молнией объект, быстро изменяется во времени. Примерная форма кривой тока молнии представлена на рис. 5. Часть кривой, на которой ток нарастает, именуется фронтом импульса тока молнии. Часть кривой, на которой ток спадает, именуется спадом импульса тока молнии.
Для равнинных районов наиболее вероятны токи молнии с амплитудой до 6104 А. Вероятность тока молнии (6-20)-104 А невелика, однако при проектировании молниезащиты ответственных объектов следует учитывать возможность появления таких токов. В горных районах амплитуда токов молнии примерно вдвое меньше, чем в равнинных районах.
Существенной характеристикой является крутизна фронта (скорость изменения) тока молнии, от которой зависит как индуктивное падение напряжения на протяженных проводниках (молниеотводах, токоотводах, заземлителях и т.п.), через которые протекает ток, так и э.д.с., обусловленные электромагнитным полем его.
Рис. 5. Примерная форма кривой тока молнии
При разряде молнии в объект ток оказывает тепловые, механические и электромагнитные воздействия.
Тепловые воздействия тока молнии. Протекание тока молнии через сооружения связано с выделением тепла. При этом ток молнии может вызвать нагревание токоотвода до температуры плавления или даже испарения.
Сечение проводников должно быть выбрано с таким расчетом, чтобы была исключена опасность недопустимых перегревов.
Таблица 2.4.1. Рекомендуемые значения токоотводящих проводников
Оплавление металла в месте соприкосновения канала молнии может быть значительным, если молния попадает в острый шпиль. При контакте канала молнии с металлической плоскостью происходит оплавление на достаточно большой площади, численно равной в квадратных миллиметрах значению амплитуды тока в килоамперах.
Механические воздействия токов молнии. Механические усилия, возникающие в различных частях здания и сооружениях при прохождении по ним токов молнии, могут быть весьма значительными. Достаточно сказать, что при воздействии токов молнии деревянные конструкции могут быть полностью разрушены, а кирпичные трубы и иные надземные сооружения из камня и кирпича могут иметь значительные повреждения.
При ударе молнии в бетон образуется узкий канал разряда. Значительная энергия, выделяемая в канале разряда, может вызвать разрушение, которое приведет либо к снижению механической прочности бетона, либо к деформации конструкции.
При ударе молнии в железобетон возможно разрушение бетона с деформацией стальной арматуры.
Под вторичным проявлением удара молнии обычно принято понимать те явления при разрядах молнии, которые сопровождаются появлением электродвижущих сил и разностей потенциалов на различных металлических конструкциях, трубопроводах и проводах (внутри помещений или вблизи них), не подвергшихся непосредственно прямому удару молнии. Вторичные проявления обычно разделяются на электромагнитную и электростатическую индукцию. Ко вторичным проявлениям молнии относится также появление разности потенциалов внутри зданий и сооружений вследствие заноса высоких потенциалов через подземные и наземные металлические коммуникации, трубопроводы, электрические кабели, подземные эстакады, воздушные линии связи и сигнализации, воздушные линии электропередачи, шинопроводы и т.п.).
Электромагнитная индукция. Разряд молнии сопровождается появлением в пространстве изменяющегося во времени магнитного поля. Магнитное поле индуктирует в контурах, образованных из различных протяженных металлических предметов (трубопроводов, электрических проводок и т.п.), электродвижущую силу, величина которой зависит от амплитуды и крутизны фронта тока молнии, размеров и конфигурации контура, в котором наводится э.д.с. В замкнутых контурах индуктированные э.д.с. вызывают появление электрических токов, нагревающих отдельные элементы контуров. Однако в силу их малой величины, токи, индуктированные э.д.с., могут образовываться внутри зданий и сооружений различными способами, например путем соединения в одну систему трубопроводов, металлоконструкций и т.д.
В незамкнутых контурах, в контурах, контакты которых недостаточно надежны в местах соединения или в местах сближения отдельных элементов контура друг с другом, возникающая э.д.с. электромагнитной индукции может вызвать искрение или сильное нагревание.
Электростатическая индукция. Под грозовым облаком в земле и во всех наземных объектах скапливаются электрические заряды, равные по величине и противоположные по знаку зарядам облака и зарядам, внедряемым в будущий канал молнии лидерными процессами.
Поскольку нарастание потенциалов облака происходит достаточно медленно, индуцированные заряды появляются даже на объектах, которые обладают хорошей изоляцией относительно земли (провода воздушных линий, металлические крыши деревянных зданий и т.д.).
Это объясняется тем, что всякая изоляция обладает некоторой утечкой, благодаря которой заряды, одноименные с зарядами облака, успевают стекать в землю. При этом поле зарядов облака и поле зарядов, индуктированных на объекте, обладающем некоторой утечкой, накладываются таким образом, что разность потенциалов между объектами и землей мала. Длительность грозового разряда, в результате которого нейтрализуется большая часть заряда облака и заряда, внедренного лидерными процессами, на несколько порядков меньше длительности формирования грозового облака и развития лидера и молнии. Индуктированные на объекте заряды из-за большого сопротивления утечки не успевают стечь в землю за время длительности разряда молнии. Поэтому между объектом и землей возникает разность потенциалов, обусловленная индуктированными на объекте зарядами, поле которых уже не компенсировано полем зарядов облака.
Разность потенциалов может появиться между металлической кровлей здания и водопроводными и канализационными трубами, электропроводками, находящимися в здании, и другими заземленными предметами.
Чем объект выше, тем больше потенциалы, индуктированные на нем, и тем больше должны быть безопасные расстояния между этим объектом и ближайшим заземленным предметом.
Основной мерой борьбы с появлением внутри здания или сооружения потенциалов, обусловленных электростатической индукцией, является заземление всех проводящих элементов в здании или сооружении.
Занос высоких потенциалов в здания и сооружения. Ко вторичным проявлениям молнии относится появление значительных напряжений внутри зданий или сооружений вследствие передачи высоких потенциалов через воздушные и подземные металлические коммуникации.
Занос высокого напряжения в здания и сооружения по этим коммуникациям может быть не только при наличии металлической связи коммуникаций с защищаемым объектом, но и при отсутствии ее. Например, если протяженные металлические коммуникации расположены в непосредственной близости от молниеотвода, значительное повышение потенциала на молниеотводе, возникающее при прямом ударе молнии, может вызвать перекрытие изоляции по воздуху с молниеотвода на части коммуникаций.
Соединение всех крупных частей здания между собой (выравнивание потенциала) ликвидирует опасность возникновения перекрытий.
Занос высоких потенциалов по внешним коммуникациям во взрывоопасные здания и сооружения недопустим. Для невзрывоопасных зданий и сооружений III категории занос высоких потенциалов представляет опасность для находящихся в них людей, а также в отдельных случаях может вызвать пожар из-за пробоя изоляции электропроводки. Поэтому в зависимости от назначения этих объектов различают меры защиты этих зданий и сооружений.
Практически любой надземный объект не застрахован от удара молнии.
На земном шаре ежегодно происходит до 16 млн. гроз, т. е. около 44 тыс.
за день.
Грозовая деятельность над различными участками земной поверхности неодинакова.
Для расчета грозозащитных мероприятий необходимо знать конкретную величину, характеризующую грозовую деятельность в данной местности. Такой величиной является интенсивность грозовой деятельности, которую принято определять числом грозовых часов или грозовых дней в году, вычисляемым как среднеарифметическое значение за ряд лет наблюдений для определенного места земной поверхности.
Интенсивность грозовой деятельности в данном районе земной поверхности определяется также числом ударов молнии в год, приходящихся на 1 км2 земной поверхности.
Число часов грозовой деятельности в год берется из
официальных данных метеостанций данной местности.
Связь между грозовой деятельностью и средним числом поражений молнией на 1
км2 (n) составляет:
Средняя продолжительность гроз за один грозовой день для территории европейской части России и Украины 1,5–2 ч.
Среднегодовая продолжительность гроз для Москвы - 10-20 часов/год, плотность ударов молнии в землю 1/км2 в год - 2,0.
К арты среднегодовой продолжительности гроз
(ПУЭ 7. Правила устройства электроустановок)
В странах Европы данную статистику проектировщик может легко получить с помощью автоматизированной системы определения места удара молнии. Данные системы состоят из большого количества датчиков, размещенных по всей территории Европы и образующих единую контролирующую сеть.
Информация от датчиков в реальном масштабе времени поступает на контролирующие серверы и с помощью специального пароля доступна через Интернет.
По имеющимся данным, в районах с числом грозовых часов в году π = 30
на 1 км2 поверхности земли в среднем поражается 1 раз в 2 года, т.е. среднее
число разрядов молнии в 1 км2 поверхности земли за 1 грозовой час равно
0,067. Эти данные, позволяющие оценить частоту поражения молнией различных
объектов.
|
Ожидаемое количество поражений молнией в год зданий и сооружений высотой не более 60 м, не оборудованных молниезащитой, имеющих неизменную высоту (рис. 4а), определяется по формуле:
где: Примечание: для средней полосы России можно принять п = 5
Если части здания имеют неодинаковую высоту (рис. 4б), то зона защиты, создаваемая высотной частью, может охватывать всю остальную часть здания. Если зона защиты высотной части не охватывает всего здания, необходимо учесть часть здания, находящуюся вне зоны защиты высотной части. Радиус защитного действия молниеотвода
определяется высотой мачты и для традиционной системы приближенно
рассчитывается по формуле: |
Рис.4. Зона защиты, создаваемая сооружениями |
Рис. 4. Зона защиты, создаваемая сооружениями а - здания с одной
высотой; б - здания, имеющие разные высоты.
Рекомендуемая формула позволяет произвести количественную оценку
вероятности поражения молнией различных сооружений, расположенных в
равнинной местности с достаточно однородными грунтовыми условиями.
З начение параметра п, входящего в расчетную формулу, может в несколько раз отличаться от значений, приведенных выше.
В горных районах большая часть разрядов молнии происходит между облаками, поэтому значение п может оказаться существенно меньше.
Районы, где имеются слои почвы высокой проводимости, как показывают наблюдения, избирательно поражаются разрядами молнии, поэтому значение п в этих районах может оказаться существенно выше.
Избирательно могут поражаться районы с плохо проводящими грунтами, в которых проложены протяженные металлические коммуникации (кабельные линии, металлические трубопроводы).
Избирательно поражаются также возвышающиеся над поверхностью земли металлические предметы (вышки, дымовые трубы).
Плотность ударов молнии в землю, выраженная через число поражений 1
км 2 земной поверхности за год, определяется по данным метеорологических
наблюдений в месте расположения объекта или рассчитывается по формуле.
При расчете числа поражений нисходящими молниями принимается, что
возвышающийся объект принимает на себя разряды, которые в его отсутствие
поразили бы поверхность земли определенной площади (так называемую
поверхность стягивания). Эта площадь имеет форму круга для сосредоточенного
объекта (вертикальной трубы или башни) и форму прямоугольника для
протяженного объекта.
Имеющаяся статистика поражений объектов разной высоты в местностях с
разной продолжительностью гроз позволила определить связь между радиусом
стягивания (ro) и высота объекта (hх); в среднем его можно принять ro =
3hх.
Анализ показывает, что сосредоточенные объекты поражаются нисходящими
молниями высота до 150 м. Объекты выше 150 м на 90 %, поражаются
восходящими молниями.
В отечественных нормативах высота молниеотвода и защищаемого объекта при любых обстоятельствах отсчитывается от уровня земли, а не от крыши сооружения, что гарантирует определенный запас при проектировании, к сожалению, не оцененный в количественном выражении.
Внешняя молниезащита
Внешняя молниезащита дома проектируется с целью перехвата молнии и
отвода ее в землю.Таким
образом полностью исключается попадание молнии в здание и его возгорание.
Внутренняя молниезащита
Возгорание здание не единственная опасность при грозе. Существует
опасность воздействия на приборы электромагнитного поля, которое вызывает
перенапряжение в электрических сетях. Это может привести к отключению
сигнализации и света, вывести из строя технику.
Установка специальных устройств защиты от импульсных напряжений
позволяют мгновенно реагировать на перепады напряжения в сети и сохранить
работающую дорогостоящую технику.
Основные типы систем молниеотводов:
с использованием 1 штыря на весь дом, которая, в свою очередь, подразделяется на традиционную (молниеотвод Франклина) и с ионизатором;
с использованием системы штырей, соединенных между собой (клетка Фарадея).
с использованием троса, натягиваемым над защищаемым сооружением.
Воздействия тока молнии
При разряде молнии в объект ток оказывает тепловые, механические и
электромагнитные воздействия.
Тепловые воздействия тока молнии. Протекание тока молнии через
сооружения связано с выделением тепла. При этом ток молнии может вызвать
нагревание токоотвода до температуры плавления или даже испарения.
Сечение проводников должно быть выбрано с таким расчетом, чтобы была
исключена опасность недопустимых перегревов.
Оплавление металла в месте соприкосновения канала молнии может быть
значительным, если молния попадает в острый шпиль. При контакте канала
молнии с металлической плоскостью происходит оплавление на достаточно
большой площади, численно равной в квадратных миллиметрах значению амплитуды
тока в килоамперах.
Механические воздействия токов молнии. Механические усилия,
возникающие в различных частях здания и сооружениях при прохождении по ним
токов молнии, могут быть весьма значительными.
При воздействии токов молнии деревянные конструкции могут
быть полностью разрушены, а кирпичные трубы и иные надземные сооружения из
камня и кирпича могут иметь значительные повреждения.
При ударе молнии в бетон образуется узкий канал разряда. Значительная
энергия, выделяемая в канале разряда, может вызвать разрушение, которое
приведет либо к снижению механической прочности бетона, либо к деформации
конструкции.
При ударе молнии в железобетон возможно разрушение бетона с
деформацией стальной арматуры.
ПРОВЕРКА МОЛНИЕЗАЩИТЫ
Система молниезащиты здания нуждается в периодической проверке. Необходимость таких мероприятий обусловлена, во-первых, важностью данных устройств для безопасности как самих объектов недвижимости, так и находящихся поблизости людей, а во-вторых, нахождением громоотводов под постоянным воздействием неблагоприятных факторов окружающей среды.
Первая проверка
системы молниезащиты осуществляется непосредственно после монтажа. В
дальнейшем она проводится через определенные, установленные нормативами,
промежутки времени.
ПЕРИОДИЧНОСТЬ ПРОВЕРОК МОЛНИЕЗАЩИТЫ
Периодичность проверки молниезащиты определяется в соответствии с п. 1.14 РД 34.21.122-87 «Инструкции по устройству молниезащиты зданий и сооружений».
Согласно документу для
всех категорий зданий она проводится не реже 1 раза в год.
В соответствии с «Правилами технической эксплуатации электроустановок потребителей» проверка заземляющих контуров проводится:
1 раз в полгода – визуальный осмотр видимых элементов заземляющего устройства;
1 раз в 12 лет – осмотр, сопровождающийся выборочным вскрытием грунта.
Измерение сопротивления заземляющих контуров:
1 раз в 6 лет – на ЛЭП с напряжением до 1000 В;
1 раз в 12 лет – на ЛЭП с напряжением свыше 1000 В.
СИСТЕМА МЕРОПРИЯТИЙ ПРОВЕРКИ МОЛНИЕЗАЩИТЫ
Проверка молниезащиты включает в себя следующие мероприятия:
проверка связи между заземлением и молниеприемником;
измерение переходного сопротивления болтовых соединений системы грозозащиты;
проверка заземления;
проверка изоляции;
визуальный осмотр целостности элементов системы (токоотводов, молниеприемника, мест контакта между ними), отсутствия на них коррозии;
проверка соответствия реально смонтированной системы грозозащиты проектной документации, обоснованности установки данного типа громоотвода на данном объекте;
испытание механической прочности и целостности сварных соединений системы грозозащиты (все соединения простукиваются молотком);
определение сопротивления заземлителя каждого отдельно стоящего молниеотвода. При последующих проверках величина сопротивления не должна превышать уровень, определенный при приемо-сдаточных испытаниях, больше чем в 5 раз;
Проверка сопротивления
системы грозозащиты проводится с помощью прибора MRU-101. При этом методика
проверки молниезащиты может быть разной. К наиболее распространенным
относятся:
Измерение сопротивления в системе
молниезащиты по трёхполюсной схеме
Измерение сопротивления в системе
молниезащиты по четырехполюсной схеме
Четырехполюсная система проверки
является более точной и сводит до минимума возможность ошибки.
Проверку заземления лучше всего
проводить в условиях максимального сопротивления грунта – при сухой погоде
или в условиях наибольшего промерзания. В остальных случаях для получения
точных данных используются поправочные коэффициенты.
По итогам осмотра системы оформляется протокол проверки молниезащиты, который свидетельствует об исправности оборудования.
Согласно действующим нормам для определения класса молниезащиты требуются подробные данные объекта и соответственно факторы риска. Для их получения предлагается заполнять несколько опросных листов. Но благодаря этой табличке можно предварительно выбрать класс молниезащиты и факторы риска без подробных данных.
|
Мин. амплитудное значение тока молнии |
Макс. амплитудное значение тока молнии |
Вероятность попадания в систему молниезащиты |
|
|
3 кА |
200 кА |
||
|
5 кА |
150 кА |
||
|
10 кА |
100 кА |
||
|
16 кА |
100 кА |
Молниезащита промышленных зданий и сооружений
(Справочник по электроснабжению промышленных предприятий. Промышленные
электрические сети).
Определение необходимости молниезащиты производственных зданий и сооружений,
не вошедших в указанные в табл. , может производиться по причинам, дающим
основание для применения молниезащитных устройств.
Причинами для необходимости устройств молниезащиты может служить число
поражений молнией в год более 0,05 для зданий и сооружений I и II степени
огнестойкости; 0,01 - для III, IV и V степени огнестойкости (независимо от
активности грозовой деятельности в рассматриваемом районе).
В зданиях большой площади (при ширине 100 м и более) необходимо согласно §
2-15 и 2-27 СН305-69 предусматривать меры для выравнивания потенциала внутри
здания во избежание повреждения электроустановок и поражения людей при
прямых ударах молний в здание.
Классификация зданий и сооружений по устройству молниезащиты и необходимости ее выполнения
|
Здания и сооружения |
Местность, в которой здания и сооружения подлежат обязательной молниезащите |
|
| Производственные здания и сооружения с производствами, относимыми к классам В-І и В-ІІ ПУЭ | На всей территории СССР | |
| Производственные здания и сооружения с помещениями, относимыми к классам В-Іа, В-Іб и В-ІІа по Правилам устройства электроустановок | В местностях со средней грозовой деятельностью 10 ч и более в год |
ІІ |
| Наружные технические установки и наружные склады, содержащие взрывоопасные газы, пары, горючие и легковоспламеняющиеся жидкости (например, газгольдеры, емкости, сливо-наливные эстакады и т. п.),относимые к классу В-ІІа по ПУЭ | На всей территории СССР |
ІІ |
| Производственные здания и сооружения с производствами, относимыми к классам П-І, П-ІІ или П-ІІа по ПУЭ | В местностях со средней грозовой деятельностью 20 грозовых часов и более в год при ожидаемом количестве поражений молнией здания или сооружения в год не менее 0,05 для зданий или сооружений І степени огнестойкости и 0,01 - для III, IV и V степени стойкости |
ІІІ |
| Производственные здания и сооружения III, IV и V степени огнестойкости, относимые по ступеням пожарной опасности к категориям Г и Д по СНиП ІІ-М, 2-62, а также открытые склады твердых горючих веществ, относимые к классу П-ІІІ по ПУЭ | В местностях со средней грозовой деятельностью 20 грозовых часов и более в год при ожидаемом количестве поражений молнией здания или сооружения в год не менее 0,05 |
ІІІ |
| Наружные установки, в которых применяются или хранятся горючие жидкости с температурой вспышки паров выше 45 оС, относимые к классу П-ІІІ по ПУЭ |
ІІІ |
|
| Животноводческие и птицеводческие здания и сооружения сельскохозяйственных предприятий III, IV и V степени огнестойкости следующего назначения: коровники и телятники на 100 голов и более, свинарники для животных всех возрастов и групп на 100 голов и более; конюшни на 40 голов и более; птичники для всех видов возрастов птицы на 1000 голов и более | В местностях со средней грозовой деятельностью 40 грозовых часов и более в год |
ІІІ |
| Вертикальные вытяжные трубы промышленных предприятий и котельных, водонапорные и силосные башни, пожарные вышки высота 15-30 м от поверхности земли | В местностях со средней грозовой деятельностью 20 грозовых часов и более в год |
ІІІ |
| Вертикальные вытяжные трубы промышленных предприятий и котельных высотой более 30 м от поверхности земли | На всей территории СССР |
ІІІ |
| Жилые и общественные здания, возвышающиеся на уровне общего массива застройки более, чем на 25 м, а также отдельно стоящие здания высотой более 30 м, удаленные от массива застройки не менее, чем на 100 м | В местностях со средней грозовой деятельностью 20 грозовых часов и более в год |
ІІІ |
| Общественные здания IV и V степени огнестойкости следующего назначения: детские сады и ясли; учебные и спальные корпуса, столовые санаториев, учреждений отдыха и пионерских лагерей, спальные корпуса больниц; клубы и кинотеатры | В местностях со средней грозовой деятельностью 20 грозовых часов и более в год |
ІІІ |
| Здания и сооружения, имеющие историческое и художественное значение, находящиеся в ведении управления изобразительных искусств и охраны памятников Министерства культуры СССР | На всей территории СССР |
ІІІ |
Разъяснение
Управления по надзору в электроэнергетике Ростехнадзора о совместном
применении "Инструкции по молниезащите зданий и сооружений" (РД
34.21.122-87) и "Инструкции по молниезащите зданий, сооружений и
промышленных коммуникаций"
(СО 153-34.21.122-2003)
|
ФЕДЕРАЛЬНАЯ СЛУЖБА |
Руководителям Федеральных |
||
|
ПО ЭКОЛОГИЧЕСКОМУ, ТЕХНОЛОГИЧЕСКОМУ |
|||
|
И АТОМНОМУ НАДЗОРУ |
|||
|
УПРАВЛЕНИЕ |
|||
|
ПО НАДЗОРУ В ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКЕ |
|||
|
109074, Москва, К-74 |
|||
|
Китайгородский пр., 7 |
|||
|
тел. 710-55-13, факс 710-58-29 |
|||
|
01.12.2004 |
№ |
10-03-04/182 |
|
|
На № |
от |
||
В управление по надзору в электроэнергетике Федеральной службы по надзору в электроэнергетике (Ростехнадзор) и ранее в Госэнергонадзор от многочисленных организаций поступают вопросы о порядке использования "Инструкции по молниезащите зданий, сооружений и промыш ленных коммуникаций" (СО 153-34.21.122-2003), утвержденной приказом Минэнерго России от 30.06.2003 № 280. Обращается внимание на трудности пользования данной Инструкцией из-за от сутствия справочных материалов. Также задаются вопросы о правомерности приказа РАО "ЕЭС России" от 14.08.2003 № 422 "О пересмотре нормативно-технических документов (НТД) и порядке их действия в соответствии с ФЗ "О техническом регулировании" и о сроках подготовки посо бий к инструкцииСО 153-34.21.122-2003 .
Управление по надзору в электроэнергетике Ростехнадзора в связи с этим разъясняет.
В соответствии с положением Федерального закона от 27.12.2002№ 184-ФЗ"О техническом регулировании", ст. 4 органы исполнительной власти вправе утверждать (издавать) документы (акты) только рекомендательного характера. К такому типу документа и относится "Инструкция по молниезащите зданий, сооружений и промышленных коммуникаций".
Приказ Минэнерго России от 30.06.2003 № 280 не отменяет действие предыдущего издания "Инструкции по молниезащите зданий и сооружений" (РД 34.21.122-87), а слово "взамен" в преди словии отдельных изданий инструкцииСО 153-34.21.122-2003, не означает недопустимость использования предыдущей редакции. Проектные организации вправе использовать при определе нии исходных данных и при разработке защитных мероприятий положение любой из упомянутых инструкций или их комбинацию.
Срок подготовки справочных материалов к "Инструкции по молниезащите зданий, сооруже ний и промышленных коммуникаций",СО 153-34.21.122-2003, к настоящему времени не опреде лен из-за отсутствия источников финансирования этой работы.
Приказ РАО "ЕЭС России" от 14.08.2003 № 422 является корпоративным документом и не имеет силы для организаций, не входящих в структуру РАО "ЕЭС России".
Начальник Управления Н.П. Дорофеев
ГОСТы по молниезащите
ГОСТ Р МЭК 62561.1-2014 Компоненты системы молниезащиты.
Часть 1. Требования к соединительным компонентам
ГОСТ Р МЭК 62561.2-2014 Компоненты системы молниезащиты. Часть 2. Требования
к проводникам и заземляющим электродам
ГОСТ Р МЭК 62561.3-2014 Компоненты систем молниезащиты. Часть 3. Требования
к разделительным искровым разрядникам
ГОСТ Р МЭК 62561.4-2014 Компоненты систем молниезащиты. Часть 4. Требования
к устройствам крепления проводников
ГОСТ Р МЭК 62561.5-2014 Компоненты систем молниезащиты. Часть 5. Требования
к смотровым колодцам и уплотнителям заземляющих электродов
ГОСТ Р МЭК 62561.6-2015 Компоненты системы молниезащиты. Часть 6. Требования
к счетчикам ударов молнии
ГОСТ Р МЭК 62561-7-2016 Компоненты системы молниезащиты. Часть 7. Требования
к смесям, нормализующим заземление
ГОСТ Р МЭК 62305-1-2010 Менеджмент риска. Защита от молнии. Часть 1. Общие
принципы
ГОСТ Р МЭК 62305-2-2010 Менеджмент риска. Защита от молнии. Часть 2. Оценка
риска
ГОСТ Р МЭК 62305-4-2016 Защита от молнии. Часть 4. Защита электрических и
электронных систем внутри зданий и сооружений
ГОСТ Р54418.24-2013 (МЭК 61400-24:2010) Возобновляемая энергетика.
Ветроэнергетика. Установки ветроэнергетические. Часть 24. Молниезащита
Международная электротехническая комиссия
(МЭК; англ. International
Electrotechnical Commission, IEC; фр. Commission électrotechnique
internationale, CEI) - международная некоммерческая организация по
стандартизации в области электрических, электронных и смежных технологий.
Стандарты МЭК имеют номера в диапазоне 60 000 - 79 999, и их названия
имеют вид типа МЭК 60411 Графические символы. Номера старых стандартов МЭК
были преобразованы в 1997 году путём добавления числа 60 000, например,
стандарт МЭК 27 получил номер МЭК 60027. Стандарты, развитые совместно с
Международной организацией по стандартизации, имеют названия вида ISO/IEC
7498-1:1994 Open Systems Interconnection: Basic Reference Model.
Международной Электротехнической Комиссией (МЭК) разработаны стандарты, в которых изложены принципы защиты зданий и сооружений любого назначения от перенапряжений, позволяющие правильно подойти к вопросам проектирования строительных конструкций и системы молниезащиты объекта, рациональному размещению оборудования и прокладке коммуникаций.
К ним, в первую очередь, относятся следующие стандарты:
IEC-61024-1 (1990-04): «Молниезащита строительных конструкций. Часть 1. Основные принципы».
IEC-61024-1-1 (1993-09): «Молниезащита строительных конструкций. Часть 1. Основныепринципы. Руководство А: Выбор уровней защиты для молниезащитных систем».
IEC-61312-1 (1995-05): «Защита от электромагнитного импульса молнии. Часть 1. Основные принципы».
Требования, изложенные в данных стандартах, формируют «Зоновую концепцию защиты», основными принципами которой являются:
применение строительных конструкций с металлическими элементами (арматурой, каркасами, несущими элементами и т.п.), электрически связанными между собой и системой заземления, и образующими экранирующую среду для уменьшения воздействия внешних электромагнитных влияний внутри объекта («клетка Фарадея»);
наличие правильно выполненной системы заземления и выравнивания потенциалов;
деление объекта на условные защитные зоны и применение специальных устройств защиты от перенапряжений (УЗИП);
соблюдение правил размещения защищаемого оборудования и подключенных к нему проводников относительно другого оборудования и проводников, способных оказывать опасное воздействие или вызвать наводки.
