Среднегодовая продолжительность гроз.. Удельная плотность ударов молнии n M .. Радиус стягивания Rст.. Число прямых ударов молнии в объект.. Степень опасности молнии.
Задача проектировщика – предусмотреть в проекте надежную и целесообразную систему молниезащиты объекта. Чтобы определить достаточный объем защитных мероприятий, обеспечивающих эффективную защиту от молний, необходимо представлять себе прогнозируемое число прямых ударов молнии в защищаемое сооружение.
В
первую очередь частота прямых ударов молнии зависит от частоты гроз в месте расположения объекта.
Так, за полярным кругом гроз почти не бывает, а в южных районах Северного Кавказа, Краснодарского края, в полосе субтропиков или в некоторых районах Сибири и Дальнего Востока, грозы – явление частое. Для оценки грозовой активности существуют региональные карты интенсивности грозовой деятельности, на которых указана средняя продолжительность гроз в часах за год. Конечно, карты эти далеки от совершенства. Тем не менее, для ориентировочных оценок они годятся. Например, для средней части России речь может идти о 30–60 грозовых часов в год, что эквивалентно 2–4 ударам молнии в год на 1 км 2
земной поверхности.
Удельная плотность грозовых разрядов
Среднегодовое число ударов молнии на 1 км 2 поверхности земли или удельная плотность грозовых разрядов (n M ) определяется по данным метеорологических наблюдений в месте размещения объекта. Если же она неизвестна, то ее можно рассчитать по следующей формуле:
n M = 6,7*Td /100 (1/км 2 год)
где Td – среднегодовая продолжительность гроз в часах, определенная по региональным картам грозовой деятельности.
Оценка частоты ударов молнии через радиус стягивания
Определив удельную плотность грозовых разрядов, проектировщику нужно оценить, какая доля этих молний попадет в защищаемый объект.
Оценку можно произвести при помощи радиуса стягивания (Rст). Опыт показывает, что объект высотой h в среднем притягивает к себе все молнии с расстояния вплоть до: Rст ≈ 3h
.
Это и есть радиус стягивания. В плане надо провести линию, которая отстоит от внешнего периметра объекта на расстояние Rст. Линия ограничит площадь стягивания (Sст). Ее можно вычислить любыми доступными методами (хоть по клеточкам на миллиметровке).
Такая оценка пригодна и для объектов сложной формы, отдельные фрагменты которых имеют принципиально различную высоту. Около каждого из фрагментов, исходя из их конкретной высоты, строится кривая, ограничивающая собственную площадь стягивания. Естественно, что частично они наложатся друг на друга. Во внимание должна быть принята только площадь, ограниченная внешней огибающей, как это показано на рис. 1. Эта площадь и определит ожидаемое число ударов молнии.
Рис.1
Число прямых ударов молнии в защищаемый объект определяется просто: выраженное в квадратных километрах значение площади стягивания умножается на удельную плотность грозовых разрядов:
N M = n M *Sст .
Практические выводы
Из этой методики следуют несколько очевидных выводов.
Во-первых, число ударов молнии в одиночный сосредоточенный объект типа башни или опоры, у которого высота много больше других габаритных размеров, окажется пропорциональным квадрату его высоты (Sст=π(3h) 2
), а у протяженных объектов (например, у линии электропередачи) – пропорциональным высоте в первой степени. Другие по конфигурации объекты занимают промежуточное положение.
Во-вторых, при скоплении многих объектов на ограниченной территории, когда их площади стягивания частично накладываются друг на друга (городская застройка), число ударов молнии в каждый из объектов будет заметно меньше, чем в тот же объект на открытой местности.
В условиях же плотной застройки, когда свободное пространство между объектами значительно меньше их высоты, то каждый из объектов практически будет собирать молнии только с площади своей крыши, а его высота перестанет играть хоть сколько-нибудь заметную роль. Всё это убедительно подтверждается опытом эксплуатации.
Степень опасности молнии
При оценке степени опасности молнии есть один нюанс, который лучше пояснить на примере. Предположим, оценивается число ударов в антенную мачту высотой 30 м. С хорошей точностью можно считать, что ее площадь стягивания представляет собой круг радиусом Rст ≈ 3h = 90 м и равна Sст = 3,14*(90) 2 ≈25 000 м 2 = 0,025 км 2 .
Если в месте размещения мачты удельная плотность разрядов молнии n M = 2, то мачта ежегодно в среднем должна принимать на себя Nм = 0,025 х 2 = 0,05 удара молнии. Это означает, что в среднем 1 удар молнии будет происходить через каждые 1/Nм = 20 лет эксплуатации. Естественно, нельзя знать, когда это случится на самом деле: с равной вероятностью это может произойти в любое время, как в первый год, так и на двадцатый год эксплуатации.
Если оценивать степень опасности молнии для конкретной антенной мачты с позиций владельцев мобильных телефонов, то можно, наверное, мириться с перерывом в связи, который может произойти один раз за 20 лет эксплуатации. У самой же телефонной компании подход может быть принципиально иным. Если она эксплуатирует не одну, а 100 антенных систем, то вряд ли компанию устроит перспектива ежегодного ремонта в среднем 100/20 = 5 антенных блоков.
Нужно также сказать о том, что оценка частоты прямых ударов молнии сама по себе мало о чем говорит. На самом деле важна не частота ударов молний, а оценка вероятности возможных разрушительных последствий от них, позволяющая определить целесообразность тех или иных мер защиты от молнии. Об этом читайте также статьи блога:
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 0,1
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
;
;
Страница 2 из 7
2. Основные характеристики грозовой деятельности и разрядов молнии
2.1. Интенсивность грозовой деятельности
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).
2.2. Основные параметры тока молнии
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
2.3. 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.
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.
2.4. Вторичные проявления ударов молнии
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.
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).
;
;
;
;
;
;;
;;
;;
;
