Среднегодовая продолжительность гроз. Проекты многоквартирных домов

Правила устройства электроустановок (ПУЭ). Глава 2.5. Воздушные линии электропередачи напряжением выше 1 кВ (Начало)
Правила устройства электроустановок (ПУЭ). Глава 2.5. Воздушные линии электропередачи напряжением выше 1 кВ (Окончание)

ИЗОЛЯЦИЯ

ИЗОЛЯЦИЯ

2.5.57. На ВЛ 110 кВ и выше должны применяться только подвесные изоляторы; на ВЛ 35 кВ и ниже могут применяться подвесные и штыревые (в том числе опорно-стержневые) изоляторы.

2.5.58. Количество подвесных и тип штыревых изоляторов для ВЛ напряжением 6 кВ и выше выбираются из условия обеспечения надежной работы их в соответствии с "Инструкцией по проектированию изоляции в районах с чистой и загрязненной атмосферой".

Таблица 2.5.15. Минимальное мокроразрядное напряжение штыревых изоляторов

Таблица 2.5.16. Расчетное коммутационное перенапряжение, принимаемое при выборе изоляции ВЛ

2.5.59. При применении подвесных изоляторов с отношением длины пути утечки к строительной высоте более 2,3 гирлянда, выбранная по рабочему напряжению, проверяется по условию воздействия коммутационных перенапряжений, расчетные значения которых приведены в табл. 2.5.17.

2.5.60. На переходных опорах высотой более 40 м количество подвесных изоляторов в гирлянде следует увеличивать по сравнению с принятыми на остальных опорах этой ВЛ на один изолятор на каждые 10 м высоты опоры сверх 40 м.

2.5.61. Коэффициенты запаса прочности изоляторов, т. е. отношение механической нагрузки, разрушающей штыревые и опорно-стержневые изоляторы, или электромеханической разрушающей нагрузки подвесных изоляторов к наибольшей нормативной нагрузке, действующей на изоляторы, должны составлять: при работе ВЛ в нормальном режиме - не менее 2,7; при среднегодовой температуре, отсутствии гололеда и ветра - не менее 5,0; в аварийном режиме для подвесных изоляторов ВЛ 500 кВ - не менее 2,0, а напряжением 330 кВ и ниже - не менее 1,8.

Нагрузки, действующие на изоляторы в аварийном режиме, определяются в соответствии с 2.5.89-2.5.91 и 2.5.93.

Таблица 2.5.17. Количество изоляторов в поддерживающих гирляндах ВЛ 110-500 кВ с металлическими и железобетонными опорами

ЗАЩИТА ОТ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЙ, ЗАЗЕМЛЕНИЕ

2.5.62. ВЛ 110-500 кВ с металлическими и железобетонными опорами должны быть защищены от прямых ударов молнии тросами по всей длине линии.

Сооружение ВЛ 110-500 кВ без тросов допускается:

1) в районах с числом грозовых часов в году менее 20;

2) на отдельных участках ВЛ в районах с плохо проводящими грунтами ( Ом·м);

3) на участках трассы с расчетной толщиной стенки гололеда более 20 мм.

Усиления изоляции для случаев, приведенных в п. 1-3, не требуется.

При отсутствии данных о среднегодовой продолжительности гроз можно пользоваться картой районирования территории СССР по числу грозовых часов в году (рис. 2.5.13-2.5.15).

Рис. 2.5.13. Карта среднегодовой продолжительности гроз. Лист 1

Рис. 2.5.13. Карта среднегодовой продолжительности гроз. Лист 1

Рис. 2.5.14. Карта среднегодовой продолжительности гроз. Лист 2

Рис. 2.5.14. Карта среднегодовой продолжительности гроз. Лист 2

Рис. 2.5.15. Карта среднегодовой продолжительности гроз. Лист 3

Рис. 2.5.15. Карта среднегодовой продолжительности гроз. Лист 3

Рис. 2.5.16. Карта среднегодовой продолжительности гроз. Лист 4

Рис. 2.5.16. Карта среднегодовой продолжительности гроз. Лист 4

Защита подходов ВЛ к подстанциям должна выполняться в соответствии с требованиями гл. 4.2.

2.5.63. Для ВЛ до 35 кВ применения грозозащитных тросов не требуется. ВЛ 110 кВ на деревянных опорах, как правило, не должны защищаться тросами.

2.5.64. Единичные металлические и железобетонные опоры и другие места с ослабленной изоляцией на ВЛ 35 кВ с деревянными опорами должны защищаться трубчатыми разрядниками или, при наличии АПВ, защитными промежутками, а на ВЛ 110-220 кВ - трубчатыми разрядниками. При отсутствии трубчатых разрядников 110-220 кВ необходимых параметров допускается устанавливать вместо них защитные промежутки.

2.5.65. При выполнении защиты ВЛ от грозовых перенапряжений тросами необходимо руководствоваться следующим:

1. Одностоечные металлические и железобетонные опоры с одним тросом должны иметь угол защиты не более 30°, а с двумя тросами для целей грозозащиты - не более 20°.

2. На металлических опорах с горизонтальным расположением проводов и с двумя тросами угол защиты по отношению к внешним проводам должен быть не более 20°; в III, IV и особом районах по гололеду, а также в районах с частой пляской проводов допускается угол защиты до 30°.

3. На железобетонных и деревянных опорах портального типа угол защиты по отношению к крайним проводам допускается не более 30°.

4. При защите ВЛ двумя тросами расстояние между ними должно быть не более пятикратного расстояния по вертикали от тросов до проводов.

2.5.66. Расстояния по вертикали между тросом и проводом ВЛ в середине пролета, без учета отклонения их ветром, по условиям защиты от грозовых перенапряжений должны быть не менее приведенных в табл. 2.5.18 и не менее расстояния по вертикали между тросом и проводом на опоре.

При промежуточных значениях длин пролетов расстояния определяются интерполяцией.

2.5.67. Крепление тросов на всех опорах ВЛ 220-500 кВ должно быть выполнено при помощи изолятора, шунтированного искровым промежутком размером 40 мм.

На каждом анкерном участке длиной до 10 км тросы должны быть заземлены в одной точке путем устройства специальных перемычек на анкерной опоре. При большой длине анкерных пролетов количество точек заземления в пролете выбирается таким, чтобы при наибольшем значении продольной электродвижущей силы, наводимой в тросе при КЗ на ВЛ, не происходил пробой искровых промежутков на ВЛ.

В случае подвески тросов на нескольких изоляторах, например для плавки гололеда на тросах или для связи, размер искрового промежутка должен быть скоординирован с электрической прочностью гирлянды, на которой подвешен трос.

На подходах ВЛ 220-330 кВ к подстанциям на длине 2-3 км и на подходе ВЛ 500 кВ на длине не менее 5 км, если тросы не используются для емкостного отбора, плавки гололеда или связи, их следует заземлять на каждой опоре.

На ВЛ 150 кВ и ниже, если не предусмотрена плавка гололеда на тросе, изолированное крепление троса следует выполнять только на металлических и железобетонных анкерных опорах. Если такая плавка предусмотрена, то изолированное крепление троса должно быть выполнено по всей длине ВЛ.

Таблица 2.5.18. Наименьшее расстояние между тросом и проводом в середине пролета

2.5.68. На ВЛ с деревянными опорами портального типа расстояние между фазами по дереву должно быть не менее 5 м для ВЛ напряжением 220 кВ, 4,5 м для ВЛ 150 кВ, 4 м для ВЛ 110 кВ, 3 м для ВЛ 35 кВ.

В отдельных случаях для ВЛ 110-220 кВ при наличии обоснований (небольшие токи КЗ, районы со слабой грозовой деятельностью, реконструкция и т.п.), допускается уменьшение указанных расстояний до значения, рекомендованного для ВЛ напряжением на одну ступень ниже.

На одностоечных деревянных опорах допускаются следующие расстояния между фазами по дереву: 2,5 м для ВЛ 35 кВ, 0,75 м для ВЛ 3-20 кВ при условии соблюдения расстояний в пролете согласно 2.5.53.
Применение металлических траверс на деревянных опорах не рекомендуется.

Таблица 2.5.19. Наименьшее допустимое изоляционное расстояние
по воздуху от токоведущих до заземленных частей ВЛ

2.5.69. Кабельные вставки в ВЛ при их длине менее 1,5 км должны быть защищены по обоим концам кабеля от грозовых перенапряжений трубчатыми или вентильными разрядниками. Заземляющий зажим разрядника, металлические оболочки кабеля, а также корпус кабельной муфты должны быть соединены между собой по кратчайшему пути. Заземляющий зажим разрядника должен быть соединен с заземлителем отдельным спуском.

2.5.70. На переходах ВЛ через реки, ущелья и т. п. при высоте опор более 40 м и отсутствии на опорах троса должны устанавливаться трубчатые разрядники.

2.5.71. Для ВЛ, проходящих на высоте до 1000 м над уровнем моря, изоляционные расстояния по воздуху от проводов и арматуры, находящейся под напряжением, до заземленных частей опор должны быть не менее приведенных в табл. 2.5.19.

Изоляционные расстояния по воздуху между токоведущими частями и деревянной опорой, не имеющей заземляющих спусков, допускается уменьшать на 10%, за исключением расстояний, выбираемых по условию безопасного подъема на опору.

При прохождении ВЛ в горных районах наименьшие изоляционные расстояния по рабочему напряжению и по внутренним перенапряжениям должны быть увеличены по сравнению с приведенными в табл. 2.5.19 на 1% на каждые 100 м и выше 1000 м над уровнем моря.

2.5.72. Наименьшие расстояния на опоре между проводами ВЛ в местах их пересечения между собой при транспозиции, ответвлениях, переходе с одного расположения проводов на другое должны быть не менее приведенных в табл. 2.5.20.

2.5.73. Дополнительные требования к защите от грозовых перенапряжений ВЛ при пересечении их между собой и при пересечении ими различных сооружений приведены в 2.5.122, 2.5.129, 2.5.140 и 2.5.152.

Таблица 2.5.20. Наименьшее расстояние между
фазами ВЛ на опоре

2.5.74. На ВЛ должны быть заземлены:

1) опоры, имеющие грозозащитный трос или другие устройства грозоза щиты;

2) железобетонные и металлические опоры ВЛ 3-35 кВ;

3) опоры, на которых установлены силовые или измерительные трансформаторы, разъединители, предохранители или другие аппараты;

4) металлические и железобетонные опоры ВЛ 110-500 кВ без тросов и других устройств грозозащиты, если это необходимо по условиям обеспечения надежной работы релейной защиты и автоматики.

2.5.75. Сопротивления заземляющих устройств опор, указанных в 2.5.74, п. 1, должны быть не более приведенных в табл. 2.5.21.

Сопротивления заземляющих устройств опор, указанных в 2.5.74, п. 2, должны быть: для ВЛ 3-20 кВ в населенной местности, а также для всех ВЛ 35 кВ - не более приведенных в табл. 2.5.21, для ВЛ 3-20 кВ в ненаселенной местности в грунтах с удельным сопротивлением до 100 Ом·м - не более 30 Ом, а в грунтах с выше 100 Ом·м - не более 0,3 Ом.

Сопротивления заземляющих устройств опор, указанных в 2.5.74, п. 3, для ВЛ 110 кВ и выше должны быть не более приведенных в табл. 2.5.22, а для ВЛ 3-35 кВ должны выбираться в соответствии с требованиями 1.7.57 и 1.7.58.

Сопротивления заземляющих устройств опор, указанных в 2.5.74, п. 4, определяются при проектировании ВЛ.

Для ВЛ, защищенных тросами, сопротивления заземляющих устройств, выполняемых по условиям грозозащиты, должны обеспечиваться при отсоединенном тросе, а по остальным условиям - при неотсоединенном тросе.

Для опор высотой более 40 м на участках ВЛ, защищенных тросами, сопротивления заземляющих устройств, должны быть в 2 раза меньше по сравнению с приведенными в табл. 2.5.21.

Сопротивления заземляющих устройств опор ВЛ должны обеспечиваться и измеряться при токах промышленной частоты в период их наибольших значений в летнее время. Допускается производить измерение в другие периоды с корректировкой результатов путем введения сезонного коэффициента, однако не следует производить измерение в период, когда на значение сопротивления заземляющих устройств оказывает существенное влияние промерзание грунта.

Таблица 2.5.21. Наибольшее сопротивление заземляющих устройств
опор ВЛ

2.5.76. При прохождении ВЛ 110 кВ и выше в местностях с глинистыми, суглинистыми, супесчаными и тому подобными грунтами с удельным сопротивлением 500 Ом·м следует использовать арматуру железобетонных фундаментов, опор и пасынков в качестве естественных заземлителей без дополнительной укладки или в сочетании с укладкой искусственных заземлителей. В грунтах с более высоким удельным сопротивлением естественная проводимость железобетонных фундаментов не должна учитываться, а требуемое значение сопротивления заземляющего устройства должно обеспечиваться только применением искусственных заземлителей.

Значения сопротивления заземляющих устройств опор ВЛ 3-35 кВ должны обеспечиваться применением искусственных заземлителей, а естественная проводимость фундаментов, подземных частей опор и пасынков (приставок) при расчетах не должна учитываться.

2.5.77. Железобетонные фундаменты опор ВЛ могут быть использованы в качестве естественных заземлителей (исключение см. в 2.5.76 и 2.5.142) при осуществлении металлической связи между анкерными болтами и арматурой фундамента.

Наличие битумной обмазки на железобетонных опорах и фундаментах, используемых в качестве естественных заземлителей, не должно учитываться.

Измерение проводимости железобетонных фундаментов, подземных частей опор и пасынков должно производиться не ранее чем через 2 месяца после их установки.

2.5.78. Для заземления железобетонных опор в качестве заземляющих проводников следует использовать все те элементы напряженной и ненапряженной продольной арматуры стоек, которые металлически соединены между собой и могут быть присоединены к заземлителю.

Стержни арматуры, используемые для заземления, должны быть проверены на термическую стойкость при прохождении токов КЗ. За время КЗ стержни должны нагреваться не более чем на 60°С.

Оттяжки железобетонных опор должны использоваться в качестве заземляющих проводников дополнительно к арматуре. При этом свободный конец тросов оттяжек должен присоединяться к рабочей части оттяжек при помощи специального зажима.

Тросы и детали крепления изоляторов к траверсе железобетонных опор должны быть металлически соединены с заземляющим спуском или заземленной арматурой.

2.5.79. Сечение каждого из заземляющих спусков на опоре ВЛ должно быть не менее 35 мм, а для однопроволочных спусков диаметр должен быть не менее 10 мм. Допускается применение стальных оцинкованных однопроволочных спусков диаметром не менее 6 мм.

2.5.80. Заземлители ВЛ, как правило, должны находиться на глубине не менее 0,5 м, а в пахотной земле - 1 м. В случае установки опор в скальных грунтах допускается прокладка лучевых заземлителей непосредственно под разборным слоем над скальными породами при толщине слоя не менее 0,1 м. При меньшей толщине этого слоя или его отсутствии рекомендуется прокладка заземлителей по поверхности скалы с заливкой их цементным раствором.

АРМАТУРА

2.5.81. Крепление проводов к подвесным изоляторам и крепление тросов следует производить при помощи поддерживающих или натяжных зажимов. Из натяжных зажимов предпочтение следует отдавать зажимам, не требующим разрезания провода. Крепление проводов к штыревым изоляторам следует производить проволочными вязками или специальными зажимами.

2.5.82. Поддерживающие зажимы для подвески проводов могут быть глухими или с заделкой ограниченной прочности. По условию надежности рекомендуется применение глухих зажимов. Подвеску грозозащитных тросов на опорах следует осуществлять только в глухих зажимах.

На больших переходах могут применяться многороликовые подвесы и специальные зажимы.

2.5.83. Соединения проводов и тросов следует производить при помощи соединительных зажимов, сварки, а также при помощи зажимов и сварки в совокупности. В одном пролете ВЛ допускается не более одного соединения на каждый провод или трос.

В пролетах, пересекающих инженерные сооружения, перечисленные в 2.5.118-2.5.160 и 2.6.163-2.5.167, одно соединение на провод (трос) допускается: при сталеалюминиевых проводах с отношением А: С4,29 - сечением 240 мм и более, с отношением А: С1,46 - любого сечения, при стальных тросах - сечением 120 мм и более, а также при расщеплении фазы на три сталеалюминиевых провода с отношением А: С4,29 - сечением 150 мм и более.

Минимальное расстояние от соединительного зажима до зажима с ограниченной прочностью заделки должно быть не менее 25 м.

2.5.84. Прочность заделки проводов и тросов в соединительных и натяжных зажимах должна составлять не менее 90% предела прочности провода или троса.

2.5.85. Коэффициенты запаса прочности линейной арматуры, т. е. отношение минимальной разрушающей нагрузки к нормативной нагрузке, воспринимаемой арматурой, должны быть не менее 2,5 при работе ВЛ в нормальном режиме и не менее 1,7 в аварийном режиме.

На линиях с механическим напряжением в проводах, превышающим 42% предела прочности при наибольшей нагрузке, до освоения арматуры новых типов допускается уменьшение коэффициентов запаса прочности линейной арматуры в нормальном режиме до 2,3.

Коэффициенты запаса прочности крюков и штырей должны быть не менее 2,0 в нормальном режиме и не менее 1,3 в аварийном режиме.

Нагрузки, действующие на арматуру, крюки и штыри в аварийном режиме, определяются в соответствии с 2.5.89-2.5.91 и 2.5.93.

ОПОРЫ

2.5.86. Опоры ВЛ выше 1 кВ разделяются на два основных вида: анкерные опоры, полностью воспринимающие тяжение проводов и тросов в смежных с опорой пролетах, и промежуточные, которые не воспринимают тяжение проводов или воспринимают его частично. На базе анкерных опор могут выполняться концевые и транспозиционные опоры. Промежуточные и анкерные опоры могут быть прямыми и угловыми.

В зависимости от количества подвешиваемых на них цепей опоры разделяются на одноцепные, двухцепные и т. д.

Промежуточные опоры могут быть гибкой и жесткой конструкции, опоры анкерного типа должны быть жесткими. Опоры анкерного типа могут быть нормальной и облегченной конструкции.

Опоры могут выполняться свободностоящими или с оттяжками.

Проектирование опор, фундаментов и оснований должно производиться с учетом указаний, приведенных в приложении к настоящей главе.

2.5.87. Опоры должны рассчитываться на нагрузки нормальных и аварийных режимов ВЛ.

Анкерные опоры должны быть рассчитаны на разность тяжений проводов и тросов, возникающую вследствие неравенства значений приведенных пролетов по обе стороны опоры. При этом условия для расчета разности тяжений устанавливаются при разработке конструкций опор.

Двухцепные опоры во всех режимах должны быть рассчитаны на условия, когда смонтирована только одна цепь.

Опоры должны быть проверены на условия их сборки и установки, а также на условия монтажа проводов и тросов.

2.5.88. Опоры на ВЛ должны рассчитываться на следующие условия нормальных режимов:

1. Провода и тросы не оборваны и свободны от гололеда, скоростной напор ветра , температура минус 5°С.

2. Провода и тросы не оборваны и покрыты гололедом, скоростной напор ветра 0,25, температура минус 5°С (см. также 2.5.34).

Анкерные опоры и промежуточные угловые опоры должны рассчитываться также на условия низшей температуры без ветра, если тяжение проводов или тросов в этом режиме больше, чем в режиме наибольших нагрузок.

Концевые опоры должны рассчитываться также на одностороннее тяжение всех проводов и тросов (провода и тросы со стороны подстанции или пролета, смежного с большим переходом, не смонтированы).

2.5.89. Промежуточные опоры ВЛ с поддерживающими гирляндами и глухими зажимами должны рассчитываться на условные горизонтальные статические нагрузки аварийных режимов.

Расчет производится при следующих условиях:

1. Оборваны провод или провода одной фазы (при любом числе проводов на опоре); тросы не оборваны.

2. Оборван один трос; провода не оборваны.

Условные нагрузки прилагаются в местах крепления того провода или троса, при обрыве которого усилия в рассчитываемых элементах опоры получаются наибольшими.

Нагрузки от проводов и тросов следует принимать по среднеэксплуатационным условиям (в режиме без гололеда и без ветра).

В расчетах опор ВЛ с нерасщепленными фазами условные нагрузки от провода принимаются:

А. Для свободностоящих металлических опор и опор из любого материала на оттяжках с проводами сечением до 185 мм 0,5 ; сечением 205 мм и более 0,4 ;

Б. Для железобетонных свободностоящих опор с проводами сечением до 185 мм 0,3 ; сечением 205 мм и более 0,25 .

В. Для деревянных свободностоящих опор с проводами сечением до 185 мм 0,25 ; сечением 205 мм и более 0,2 , где - наибольшее нормативное тяжение провода или проводов одной фазы.

Г. Для других опор (опор из новых материалов, металлических гибких опор и т. п.) - в зависимости от гибкости рассчитываемых опор в пределах, указанных в п. А - В.

В расчетах опор ВЛ до 330 кВ с расщепленными фазами нормативная нагрузка определяется путем умножения значений, указанных в п. А - В для нерасщепленных фаз, на дополнительные коэффициенты: 0,8 при расщеплении на два провода, 0,7 - на три провода и 0,6 - на четыре провода.

В расчетах опор ВЛ 500 кВ с расщепленными фазами нормативная условная нагрузка, прилагаемая в месте крепления одной фазы, принимается равной 0,15 , но не менее 18 кН.

При применении средств, ограничивающих передачу продольной нагрузки на промежуточную опору (зажимы с ограниченной прочностью заделки, подвеска на блоках, а также другие средства), расчет следует производить на нормативные нагрузки, возникающие при использовании этих средств, но не более условных нагрузок, принимаемых при подвеске проводов в глухих зажимах.

Условная горизонтальная нагрузка от троса принимается равной 0,5 .

Для гибких опор (железобетонных и деревянных опор без оттяжек) допускается определять нормативную нагрузку от обрыва троса с учетом гибкости опор.

В расчетах допускается учитывать поддерживающее действие необорванных проводов и тросов в режиме среднегодовой температуры без гололеда и ветра. При этом нормативные условные нагрузки следует принимать как для металлических свободностоящих опор и опор из любого материала на оттяжках, а механические напряжения, возникающие в поддерживающих проводах и тросах, не должны превышать 70% предела прочности.

2.5.90. Промежуточные опоры ВЛ с креплением проводов на штиревых изоляторах при помощи проволочной вязки должны быть рассчитаны в аварийном режиме с учетом гибкости опор на обрыв одного провода, дающего наибольшие усилия в элементах опоры. Условная нормативная горизонтальная нагрузка вдоль линии от тяжения оборванного провода при расчете стойки должна приниматься равной 0,5

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение высшего

«УФИМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НЕФТЯНОЙ

ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Кафедра прикладной химии и физики

Молниезащита зданий и сооружений

Учебно-методическое пособие

Рассматривается методика и техника расчета молниезащиты гражданских и промышленных объектов.

Пособие предназначено для проведения практического занятия либо самостоятельного выполнения расчетно-графической работы (РГР) по дисциплине «Безопасность жизнедеятельности» студентами всех форм обучения. Может быть использовано в дипломном проектировании при решении аналогичных задач.

Составитель, доц., канд. техн. наук

Рецензент, доц., канд. техн. наук

© Уфимский государственный нефтяной технический университет, 2010

Согласно действующим нормативным документам выбор конструкции и расчет параметров молниезащиты должен производиться на основе данных о защищаемом объекте (назначения, наличия взрыво - и пожароопасных зон, огнестойкости и др.) и ожидаемом количестве поражений молнией в год. Последнее определяется исходя из сведений об интенсивности грозовой деятельности и геометрических размеров защищаемого объекта.

1 Характеристика интенсивности грозовой деятельности и молниепоражаемости объекта

Интенсивность грозовой деятельности характеризуется средним числом грозовых часов (Пч) в году, определяемым по карте (рисунок 1).

Расчет ожидаемого количества N поражений молнией в год незащищенного объекта производится по формулам:

Для сосредоточенных зданий и сооружений (дымовые трубы, вышки, башни)

N = 9πh2n · 10-6;

Для зданий и сооружений прямоугольной формы

N = [(S+6h)(L+6h) – 7,7h2]n · 10-6,

где h – наибольшая высота здания или сооружения, м;

S, L – соответственно, ширина и длина здания или сооружения;

n – среднегодовое число ударов молнии в 1 км2 земной поверхности, определяемое по таблице 1.

Если здание имеет сложную конфигурацию, то при расчете за S и L принимают ширину и длину прямоугольника, в который вписывается план здания.

Таблица 1 – Зависимость среднегодового числа ударов молнии в 1 км2 земной поверхности от интенсивности грозовой деятельности

Интенсивность грозовой деятельности Пч, ч

Среднее число ударов молнии в год на 1 км2, n

Рисунок 1 – Карта среднегодовой продолжительности гроз в часах

2 Классификация зданий и сооружений

по устройству молниезащиты

Инструкция по проектированию и устройству молниезащиты , исходя из вероятности поражения защищаемого объекта молнией, масштаба возможных разрушений и ущерба, устанавливает три категории зданий и сооружений (I, II, III) и два типа (А и Б) зон защиты объектов от прямых ударов молнии. Зона защиты типа А обеспечивает перехват на пути к защищаемому объекту не менее 99,5% молний, а типа Б – не менее 95%.

К I категории относят здания и сооружения (или их части), в которых имеются взрывоопасные зоны классов В-I и В-II согласно Правилам устройства электроустановок (ПУЭ). В них хранятся или содержатся постоянно либо появляются во время производственного процесса смеси газов, паров или пыли горючих веществ с воздухом или иными окислителями, способные взорваться от электрической искры.

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

1) здания и сооружения с пожароопасными зонами классов П-I, П-II, П-IIа согласно ПУЭ;

2) открытые склады твердых горючих веществ и наружные технологические установки, в которых применяют или хранят горючие жидкости с температурой вспышки паров выше 61ºС, относимые по ПУЭ к классу П-III;

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

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

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

6) здания и сооружения, являющиеся памятниками истории и куль - туры;

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

3 Выбор типа защиты

Различают два рода воздействия молнии: первичное, связанное с прямым ударом, и вторичное, вызванное электромагнитной и электростатической индукцией и заносом высоких потенциалов через металлические коммуникации в сооружения при разряде облака. В результате этих явлений могут возникать пожары, взрывы, разрушения конструкций, поражения людей, перенапряжение на проводах электрической сети.

Для защиты от прямых ударов молнии сооружаются молниеотводы, принимающие на себя ток молнии и отводящие его в землю. Зона защиты молниеотвода – это часть пространства, примыкающая к молниеотводу, внутри которого здание или сооружение защищено от прямых ударов молнии с определенной степенью надежности. Защитное действие молниеотвода основано на свойстве молнии поражать наиболее высокие и хорошо заземленные металлические сооружения. При этом, по мере углубления внутрь этого пространства степень надежности защиты возрастает.

Защита от электростатической индукции заключается в отводе индуцируемых статических зарядов в землю путем присоединения металлического оборудования, расположенного внутри и вне зданий, к специальному заземлителю или к защитному заземлению электроустановок; сопротивление заземлителя растеканию тока промышленной частоты должно быть не более 10 Ом.

Для защиты от электромагнитной индукции между трубопроводами и другими протяженными металлокоммуникациями в местах их сближения на расстояние 10 см и менее через каждые 20 м устанавливают (приваривают) металлические перемычки, по которым наведенные токи перетекают из одного контура в другой без образования электрических разрядов между ними.

Защита от заноса высоких потенциалов внутрь зданий обеспечивается отводом потенциалов в землю вне зданий путем присоединения металлокоммуникаций на входе в здания к заземлителям защиты от электростатической индукции или к защитным заземлениям электроустановок.

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

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

Здания и сооружения III категории подлежат молниезащите в местностях с грозовой деятельностью 20 ч и более в год, зона защиты молниеотводов – типа Б, за исключением объектов, указанных в п. 1 и 3. В них выбор типа зоны зависит от ожидаемого числа поражений молнией: при 0,12 принимается тип А.

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

4 Конструкции молниеотводов

Молниеотвод состоит из молниеприемника, непосредственно воспринимающего удар молнии, токоотвода (спуска), соединяющего молниеприемник с заземлителем, заземлителя, через который ток молнии стекает в землю. Вертикальную конструкцию (столб или мачту) или часть сооружения, предназначенную для закрепления молниеприемника и токоотвода, называют опорой молниеотвода.

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

Стержневые молниеотводы представляют собой вертикальные стержни или мачты, тросовые – горизонтальные стальные канаты и провода, закрепленные на двух и более опорах, по каждой из которых прокладывают токоотвод к отдельному заземлителю. У сеточных молниеотводов молниеприемником служит металлическая сетка, присоединяемая токоотводом к заземлителю. Чаще используют стержневые молниеотводы.

Для повышения безопасности людей и животных заземлители размещают в редко посещаемых местах (на газонах, в кустарниках) в удалении на 5 м и более от основных грунтовых проезжих и пешеходных дорог, располагают их под асфальтовыми покрытиями или устанавливают предупреждающие плакаты. Токоотводы размещают в недоступных местах.

5 Расчет и проектирование молниеотводов

При устройстве молниезащиты соблюдают следующие условия: соответствие типа молниезащиты характеру производственного процесса в здании или сооружении, возможность типизации конструктивных элементов молниезащиты, надежность действия всех элементов молниезащиты и их «равнопрочность», большой срок службы (10 лет и более), возможность применения недорогостоящих материалов и использование конструктивных элементов здания и сооружения, наглядность монтажа, предупредительные и воспрещающие знаки или ограждения, доступ ко всем элементам при контроле, восстановлении или ремонте.

Кроме того, при устройстве молниезащиты зданий и сооружений любой категории учитывают возможность экранирования их зонами защиты молниеотводов других близко расположенных зданий и сооружений. При этом максимально используют естественные молниеотводы (вытяжные трубы, водонапорные башни, дымовые трубы, линии электропередачи и другие возвышающиеся сооружения).

Ниже приведены методики расчета молниеотводов разных конструкций высотой до 150 м.

Одиночный стержневой молниеотвод . Зона его защиты представляет собой конус (рисунок 2), вершина которого находится на высоте h0

Для зоны типа А

h0 = 0,85h; R0 = (1,1 - 0,002h)h;

Rx = (1,1 - 0,002h)(h - hx/0,85);

Для зоны типа Б

h0 = 0,92h; R0 = 1,5h; Rx = 1,5(h - hx/0,92),

где Rx и hx определяют по закону подобия треугольников.

Для зоны типа Б высоту молниеотвода при известных величинах hx и Rx устанавливают по формуле:

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

Рисунок 2 – Зона защиты одиночного стержневого молниеотвода

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

Двойной стержневой молниеотвод (рисунок 3). Торцевые части зоны защиты определяют как зоны одиночных стержневых молниеотводов. Значение h0, R0, Rx1 и Rx2 расчитывают по выше приведенным формулам для обоих типов зон защиты.

Внутренние области зон защиты имеют следующие габаритные размеры:

Зона типа А:

при L ≤ h hc = h0; Rc = R0; Rcx = Rx;

при h < L ≤ 2h hc = h0-(0,17 + 3×10-4h)(L - h);

при 2h < L ≤ 4h ;

;

;

Зона типа Б:

при L ≤ h hc = h0; Rcx = Rx; Rc = R0;

при h < L ≤ 6h, hc = h0 - 0,14(L - h);

Rc = R0; Rcx = R0(hc - hx)/ hc;

При больших расстояниях молниеотводы следует рассматривать как одиночные.

При известных hc, L и Rcx = 0 высоту молниеотвода для зоны типа Б определяют по формуле:

h = (hc + 0,14L)/1,06.

Рисунок 3 – Зона защиты двойного стержневого молниеотвода

1 – граница зоны защиты на уровне hx 1 ; 2 – то же на уровне hx 2 ,

3 – то же на уровне земли

Двойной стержневой молниеотвод разной высоты (рисунок 4). Торцевые части также представляют собой зоны защиты одиночных стержневых молниеотводов соответствующей высоты, а h01, h02, R01, R02, Rx1, Rx2 определяют как для одиночного молниеотвода обоих типов зон.

Rcx = R0(hc - hx)/hc;

Rc= (R01 + R02)/2;

hc = (hc1 + hc2)/2,

где hc1 и hc2 для обоих типов зон защиты вычисляют по формулам для двойного стержневого молниеотвода.

Рисунок 4 – Зона защиты одиночного стержневого молниеотвода

Для разновысокого двойного стерженового молниеотвода зона защиты типа А существует при L ≤ 4hmin, типа Б – при L ≤ 6hmin.

Одиночный тросовый молниеотвод . Зона его защиты приведена на рисунке 5, где h – расстояние по высоте до троса в точке наибольшего провеса.

С учетом стрелы провеса при известной высоте опор hоп и длине пролета а < 120 м высота до троса h = hоп - 2 м, а при а=120...150 h = hоп - 3 м.

Зоны защиты одиночных тросовых молниеотводов имеют следующие размеры.

Для зоны типа А:

h0 = 0,85h; R0 = (1,35 - 0,0025h)h;

Rx = (1,35 - 0,0025h)(h - hx/0,85).

Для типа Б:

h0 = 0,92h; R0 = 1,7h ; Rх = 1,7(h - hx/0,92).

Для зоны типа Б высота одиночного тросового молниеотвода при известных hx и Rx равна h = (Rx + 1,85hx)/1,7.

Рисунок 5 – Зона защиты одиночного тросового молниеотвода

1 – граница зоны защиты на уровне земли;

2 – граница зоны защиты на уровне hx

6 Пример расчета

Здание расположено в Республике Башкортостан , имеет размеры:

L = 27 м; S = 18 м; h = 6 м.

Расчеты ведем в следующем порядке.

1. Определяем по классификации ПУЭ класс взрывопожароопасной зоны для склада ЛКМ. ЛКМ обычно изготовляются на основе легковоспламеняющихся жидкостей и склад является взрывоопасной зоной. Однако ЛКМ поступают и хранятся на складе в герметичной таре. Образование взрывоопасных смесей в здании склада возможно в случае неисправной тары. Следовательно, склад ЛКМ по классификации ПУЭ относится к классу В-1а.

2. Определяем требуемую категорию устройства защиты склада ЛКМ от воздействия атмосферного электричества. Согласно п.2 здания и сооружения, в которых имеются взрывоопасные зоны класса В-1а, относятся ко II категории защиты и должны быть защищены от всех четырех опасных факторов атмосферного электричества.

3. Определяем требуемый тип защиты для склада ЛКМ.

По карте среднегодовой продолжительности гроз (рисунок 1) находим, что интенсивность грозовой деятельности на территории РБ составляет 40…60 ч в год. Согласно таблице 1 такой интенсивности соответствует среднегодовое число ударов молнии, приходящееся на 1 км2 площади, равное n = 4. Ожидаемое число поражений склада ЛКМ молнией в течение года при отсутствии молниеотвода определяется по формуле:

Подставляя известные данные, получаем:

Так как N<1, то принимаем зону защиты типа Б.

4. Выписываем геометрические размеры зоны защиты типа Б:

; rо = 1,5 h м ; rх = 1,5(h м - hх/0,92),

где hо – высота конуса зоны защиты; hм – высота стержневого молниеотвода; rх – радиус зоны защиты на уровне земли; rо – радиус зоны защиты на высоте защищаемого объекта; hх – высота защищаемого объекта.

5. Определяем радиус rо зоны защиты на высоте объекта, используя графический метод. Наносим в выбранном масштабе на лист бумаги план склада ЛКМ (вид сверху). Выбираем и наносим на схему точку установки молниеотвода (для объектов II категории расстояние между молниеотводом и защищаемым объектом не нормируется). Считая эту точку центром, описываем окружность такого радиуса, чтобы защищаемый объект (склад ЛКМ) вписался в нее. Снимаем со схемы значение радиуса rх; r = 27,5 м.

Рисунок 6 – К расчету высоты отдельно стоящего стержневого молниеотвода

1 – защищаемый объект; 2 – место установки молниеотвода

6. Определяем высоту молниеотвода:

h м = (r х + 1,63hх)/1,5; hм = 25 м

7. Определяем другие размеры зоны защиты:

ho = 22,8 м; rх = 37,3 м

8. Строим на схеме зону защиты (вид сбоку) и проверяем графически вписываемость объекта здания склада в зону защиты по высоте.

Библиографический список

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).

Главная » Ипотека » Среднегодовая продолжительность гроз. Проекты многоквартирных домов