Молниезащита зданий и сооружений

Одним из наиболее опасных природных явлений считается разряд молнии, сопровождаемый звуками грозы. Фактически она представляет собой электрический ток в концентрированном виде, образующийся в воздухе с высокой влажностью с одновременным резким перепадом температур. Испускаемые разряды обладают огромной разрушительной силой и способны поражать объекты вплоть до их полного разрушения.

Довольно часто резко возрастающее электродинамическое напряжение приводит к взрыву отдельных конструктивных элементов. В связи с этим, большое значение приобретает качественная молниезащита зданий и сооружений, включающая в себя целый комплекс различных мероприятий. Они определяются нормативными документами и призваны не допустить несчастных случаев и других негативных последствий от воздействия природной стихии.

Необходимость молниезащиты

О том, что необходима молниезащита известно практически всем, особенно владельцам частных домов. Те же, кто пренебрегает этими мероприятиями рано или поздно ожидает серьезный материальный ущерб и возможный травматизм от электрического тока людей, проживающих или работающих на объекте.

Чаще всего удары молний приводят к следующим негативным последствиям:

Разрушаются частично или полностью здания, сооружения, инженерные сети и коммуникации.
Выходят из строя электроприборы и оборудование, оказавшиеся в зоне поражения. Наносится ущерб электроустановкам, во многих случаях они не подлежат ремонту и восстановлению.
Травмируются и погибают люди, животные находившиеся внутри или возле объекта, подвергшегося удару молнии.

Как уже отмечалось, любая молния относится к мощному электрическому разряду, легко разрушающему большинство конструкций. Они наносят серьезный ущерб линиям электропередачи, приборам и оборудованию. Попадая в нижние слои атмосферы, молния наносит удар по наиболее высокой точке, расположенной в опасной зоне. Поэтому качественный молниеотвод, правильно изготовленный и установленный, вполне способен защитить объекты и находящихся в них людей от смертельной опасности и механических разрушений.

Грозовые облака образуются на фоне резких перепадов температур и повышенной влажности воздуха. В этих условиях атмосфера начинает наполняться облаками с отрицательными зарядами. Между грозовым фронтом и поверхностью земли возникает электростатическая индукция, что и приводит к разряду по принципу действия конденсатора. Постепенно происходит рост напряженности электрического поля, а высокие объекты создавая ионизацию воздуха, снижают его удельное сопротивление и тем самым дают толчок молнии для нанесения ударов.

Эти же физические свойства были использованы, когда разрабатывалась та или иная система молниезащиты, принимающая удар и отводящая высокие токи в землю. При этом, совершенно исключаются пожары, механические повреждения и другие негативные последствия. Проектирование и установка выполняется на основе нормативных документов ПУЭ, раздел Молниезащита зданий и сооружений, СНиП 3.05.06-85, инструкция РД 34.21.122-87 и ГОСТ Р МЭК 62561.2-2014. Они же определяют и основные требования к молниезащите.

Поражающие факторы молнии

Для того чтобы до конца понять всю опасность ударов молнии, необходимо более подробно ознакомиться с ее поражающими факторами. Они в обязательном порядке учитываются, когда проектируется устройство молниезащиты зданий и сооружений. В момент разряда подавляющее число грозовых туч обладают отрицательной полярностью, тогда как на земле происходит индукция положительных зарядов.

В среднем, каждое облако перед началом разряда обладает следующими характеристиками:

Возле поверхности земли туча имеет напряженность электрического поля в диапазоне 5-300 кВ/м.
Потенциал составляет от 100 миллионов до 1 миллиарда вольт.
Единичный разряд тучи происходит в промежутке от 15х10-6 до 10-3 секунды, для полного разряда требуется 1,13 секунды.
Непосредственно в канале молнии образуется температура 20 тысяч градусов и более.
Величина амплитудного значения тока составляет 50 кА, в некоторых случаях до 250 кА.

Действие электрических разрядов может быть первичным или вторичным в зависимости от поражающих факторов. Они учитываются, когда создается система молниезащиты зданий. Первичный поражающий фактор является прямым ударом молнии в конкретный объект. Основными последствиями считаются пожары и механические повреждения зданий и сооружений.

Вторичные поражающие факторы, которых существует несколько видов, проявляются в следующем:

Электростатическая индукция. На металлических конструкциях, изолированных от земли, возникают наведенные электрические потенциалы. Их появление связано со статическим полем высокой напряженности между грозовыми тучами и землей. В результате, между деталями оборудования и металлическими конструкциями наблюдается искрение.
Электромагнитная индукция. На металлических трубах, воздуховодах и других элементах большой протяженности, обладающих незамкнутыми контурами, в момент разряда происходит индуцирование ЭДС. Данное явление возникает под действием мощного магнитного поля, изменяющегося во времени. Как следствие, здесь также образуется искрение в местах максимально близкого взаимного расположения металлических конструкций.
Высокие потенциалы, которые могут попасть в здание по коммуникациям и металлическим конструкциям, находящимся вне объекта. Все это нужно учитывать при строительстве еще на стадии проектирования.

Все виды поражающих факторов вызывают те или иные негативные последствия. В первую очередь, это поражение людей электротоком, пожары, взрывы, разрушения вследствие механических повреждений. Все это приводит к значительному материальному ущербу и невосполнимым потерям.

Категории молниезащиты зданий и сооружений

Согласно инструкции РД 34.21.122-87 и ГОСТ, все типы зданий и сооружений разделяются на три категории или группы в соответствии с требующимися мероприятиями по защите от молний. Для распределения объектов в каждую из них существуют определенные правила, факторы, нормы и требования. Кроме того, используется метеорологическая карта. В первую очередь учитывается значимость каждого сооружения, его предназначение, наличие легковоспламеняющихся и взрывоопасных веществ, место расположения, частота попаданий молний и другие.

Первая категория

Включает в себя здания и сооружения, требующие наиболее высокого уровня защиты. В основном это объекты с высокой вероятностью взрывов. Основными компонентами защитных систем служат стержневые или тросовые молниеотводы, установленные на определенном расстоянии друг от друга. Большое значение имеет правильный расчет заземлителя, который может быть искусственным, из металлоконструкций или для этих целей используются имеющиеся железобетонные изделия.

Вторая категория

Также содержит здания с наличием в них взрывоопасных веществ. Сюда же входят некоторые виды наружных технологических сооружений, склады ГСМ открытого типа, помещения с легковоспламеняющимися жидкостями и т.д. Здания этой категории должны быть надежно защищены от непосредственных попаданий разрядов, а также от заносов электрического тока по надземным и подземным коммуникациям, или в результате электромагнитной индукции.

Молниеприемником для таких объектов служит металлическая сетка, шаг ячейки у которой имеет определенные размеры. В некоторых случаях, в зависимости от конкретных условий, могут устанавливаться стержневые или тросовые конструкции.

Третья категория

В эту группу включены здания, расположенные в местностях, где продолжительность гроз составляет свыше 20 часов в течение года. Все защитные мероприятия осуществляются в рамках 2-й категории. Они направлены на защиту от прямых попаданий и заноса извне высоких потенциалов.

В некоторых случаях молниезащита зданий и сооружений не требуется. Единственным условием является наличие кровли, которая может служить в качестве естественного молниеприемника. Для этого толщина стальной кровли должна быть 4 мм, медной 5 мм, алюминиевой 7 мм и выше.

Активная и пассивная молниезащита

Разные типы внешней молниезащиты представляют собой систему, состоящую из токопроводящих конструкций, часть которых устанавливается в верхней части объектов. Они перехватывают разряд молнии, а затем отводят в землю ее высокую энергию. Эффект от подобной защиты зависит от количества компонентов и плотности покрытия опасной зоны, от архитектурных особенностей конкретного здания. Все процессы здесь происходят естественным путем, поэтому такие стандартные системы представляют собой пассивную молниезащиту.

Как правило, она включает в себя следующие компоненты:

Молниеприемник. Притягивает к себе и принимает электростатический атмосферный разряд. Конструктивно варианты исполнения бывают в виде металлических стержней, тросов, натянутых между опорами или приемной сетки с установленным шагом ячейки. Последний вариант используется в основном на плоских крышах с большими площадями.
Токоотводы. Находятся вроде бы на второстепенных ролях, однако без них совершенно невозможно отведение высоких токов, попавших в молниеприемник. Они изготавливаются из толстой стальной проволоки, диаметром от 8 мм и более. Такое сечение обеспечивает безопасное прохождение большого потенциала в течение короткого промежутка времени.
Заземление и молниезащита. Используются в совместном виде и состоят из отдельных заземлителей или целой системы, объединяющей сразу несколько электродов в единый контур заземления. Токоотводы могут подключаться к уже действующему заземлению, но для этого в цепь потребуется подключить специальные разрядники.

Активная защита определяется ГОСТ и существенно отличается от пассивной, в первую очередь наличием в ней активного молниеприемника, представляющего собой не стержень, а специальное электронное устройство с возможностью самостоятельной активации непосредственно перед наступлением грозы. Поля статического электричества, возникающие во время грозы, воздействуют на головку приемника и способствуют возникновению импульсов высокого напряжения. Под их влиянием в окружающем воздушном пространстве создается обратная ионизация, вызывающая эффект притягивания электрических разрядов.

Монтаж активного компонента осуществляется на металлическом стержне, превышающем наиболее высокую точку здания не менее чем на 1 метр. Все остальные компоненты устанавливаются и работают практически одинаково, как и на пассивной защите.

Виды молниеприемников

В системах защиты по возможности максимально используются естественные молниеотводы, на основе имеющихся конструктивных элементов. Если же они не дают нужного эффекта, применяются искусственные молниеприемники, в большинстве случаев играющие ключевую роль. Они просты в устройстве, не требуют специального тех. обслуживания, но вместе с тем гарантируют надежную пассивную защиту от высоких токовых зарядов, вызванных ударами молнии.

Все молниеприемники правила и нормы условно разделяют на три основных типа. Стержневые конструкции (рис. 1) изготавливаются в виде вертикальной металлической мачты, высотой от 1 до 20 метров. Они устанавливаются непосредственно на крыше или возле здания. В последнем случае защитная зона должна перекрывать объект, находящийся под защитой.

При помощи зажимов они закрепляются на любых поверхностях вертикальных и горизонтальных. Каждая мачта соединяется с двумя токоотводами, которые, в свою очередь, подключаются к заземляющему контуру. Устройства стержневого типа защищают в основном небольшие здания в простом архитектурном исполнении.

Тросовый молниеприемник (рис. 2) представляет собой конструкцию, включающую в себя две мачты и стальной трос, натянутый между ними. Концы троса соединяются со своими токоотводами и далее с заземлителями. Правильное расположение всех компонентов гарантирует уход электрических разрядов в грунт за внешними границами здания. Тросовые устройства, так же, как и стержневые, бывают одиночными, двойными или многократными, полностью охватывая и защищая объект. Многократная система устанавливается в крупных зданиях или нескольких сооружениях, расположенных на значительной территории.

Для изготовления молниеприемной сетки (рис. 3) используется металлическая проволока или пруток. Она укладывается на поверхность кровли с шагом ячеек от 5х5 м до 20х20 м в соответствии с категорией защиты данного объекта. Если кровля выполнена из негорючих материалов, укладку сетки можно производить прямо на нее. В противном случае должно выдерживаться расстояние не менее 10 см.

Зажимы креплений могут контактировать со стенами из горючих материалов, если повышенная температура не представляет для них никакой опасности. Монтаж токоотводов осуществляется по всему периметру на расстоянии 10-25 метров друг от друга, в соответствии с уровнем защиты здания.

Установка токоотводов молниезащиты

Любая молниезащита не будет нормально работать при отсутствии токоотводов и их правильного размещения относительно друг друга. Именно по ним электрический ток уходит от приемника и, попадая в заземлитель, растекается в грунте. Существуют нормативные документы, определяющие количество и материал токоотводов, их оптимальное сечение и расстояния между линиями. Все эти данные используются при составлении проектов молниезащиты.

Установленный токоотвод должен обеспечивать следующие требования:

После удара молнии течение тока к земле должно происходить несколькими путями, расположенными параллельно.
Движение тока осуществляется по кратчайшему пути. Токоотвод устанавливается в прямом вертикальном положении, исключая любые петли и резкие повороты.
Расстояния от токоотводов до окон и дверей должны обеспечивать требуемый уровень безопасности.

Количество токоведущих линий определяется прежде всего размерами здания и типом его кровли. Если периметр объекта составляет менее 20 метров, то вполне достаточно одного токоотвода. При использовании нескольких элементов, они распределяются равномерно по всему периметру, начиная от любого угла.

Простейшая грозозащита состоит из двух токоотводов, расположенных параллельно и равномерно отводящих большие токи к земле. Они прокладываются по прямой, без изгибов и острых углов, чтобы исключить искрение, представляющее серьезную опасность. Общая численность линий рассчитывается для каждого конкретного случая, минимальное расстояние составляет 10 м. Расстояние от окон и дверей должно быть не менее 50 см.

Если монтаж молниезащиты, в частности, токоотводов выполняется непосредственно по стенам, в этом случае необходимо соблюдать установленные правила и рекомендации специалистов:

Огнестойкий материал стен позволяет крепить проводники к их поверхностям или прокладывать изнутри.
Если же стены неустойчивы к высоким температурам, токоотводы закрепляются на поверхности с соблюдением установленных зазоров и других мер безопасности.
Прокладка по горючим материалам стен выполняется на расстоянии свыше 100 мм от поверхности. Допускается лишь контакт металлических креплений со стеной.
Нельзя использовать водостоки под прокладку токоотводов.
Непосредственно перед землей все линии соединяются между собой по горизонтали при помощи специальных поясов. По высоте такие соединения выполняются через каждые 20 метров.

Устройство заземления молниезащиты

Заземляющие контуры располагаются на расстоянии не менее 1 метра от самого объекта, дорожек и прочих мест частого появления людей. Данное требование позволяет избежать шагового напряжения, возникающего в процессе растекания заряда по грунту.

При наличии у объекта массивного железобетонного фундамента, заземление должно располагаться еще дальше, а внутри здания устанавливаются грозоразрядники, защищающие электронную аппаратуру. Это требование обязательно для выполнения, поскольку часть заряда молнии попадает на фундамент и другие элементы, контактирующие с ним инженерные сети, корпуса оборудования.

Основным показателем заземления является его сопротивление. Если используются два отдельных контура, они соединяются между собой стальными проводниками при помощи сварки. Показатель сопротивления контура должен быть минимальным, чтобы ток мог легко уходить в землю. Если удельное сопротивление грунта 500 Ом, то нормативное сопротивление заземлителя составит 10 Ом. При более высоких сопротивлениях грунта для вычислений применяется формула: Rз = 10 + 0,0022 (&rho, 500) Ом, где Rз сопротивление заземлителя, &rho, показатель удельного сопротивления грунта.

Нормативные значения можно получить путем замены грунта. Старый грунт убирается, а в яму или траншею закладывается земля с другими параметрами и характеристиками. После этого в обновленном грунте выполняется монтаж заземления. В другом случае в грунт добавляются химические реагенты, способные изменить его показатели в нужную сторону.

После того как заземление установлено, в дальнейшем проводятся регулярные замеры его сопротивления. Если его показатели выходят за пределы нормативного диапазона, следует выполнить установку дополнительного штыря или заменить несоответствующий элемент. Особое внимание обращается на соединения между всеми компонентами заземляющего устройства.

Особенности молниезащиты производственных объектов

Молниезащита промышленных зданий и сооружений разрабатывается с учетом опасных воздействий этого природного явления, рассмотренных выше. Первоочередное внимание уделяется высотным объектам, которые могут пострадать в первую очередь.

Так же, как и у жилых, у производственных зданий существуют свои категории, определяемые по соответствующему уровню защиты. Они определяются нормативными документами (СНиП) и выглядят следующим образом:

1-я категория. Сюда входят объекты, представляющие критическую опасность в случае катастрофы, способные нанести серьезный вред людям, животным и окружающей среде. В первую очередь это АЭС, заводы нефтепереработки, химические и биохимические предприятия, хранилища взрывчатых веществ.
2-я категория. Инструкция по молниезащите зданий и сооружений включает в этот перечень склады хранения ГСМ, сливные и наливные эстакады, резервуары для сжиженного газа, деревообрабатывающие и пожароопасные производства, электростанции, мукомольные комбинаты и другие аналогичные объекты.
3-я категория. Это здания с потенциальной пожарной опасностью, дымовые трубы, водонапорные башни и другие высотные сооружения тех. назначения. На селе это коровники и конюшни, телятники и птицефермы.