Молниезащита зданий и сооружений

Разряды молний могут воздействовать на здания и сооружения прямыми ударами (первичное воздействие), вызывающими непосредственное их повреждение и разрушение, и вторичными воздействиями посредством явлений электростатической и электромагнитной индукции. При разрядах молний высокий потенциал может заноситься в здания по воздушным линиям и различным металлическим коммуникациям. Канал молнии имеет высокую температуру (20 000° С и выше), и при воздействии молнии образующиеся искры и нагрев горючей среды до температуры воспламенения вызывают в зданиях и сооружениях пожары.
Необходимость молниезащиты жилых и общественных зданий и сооружений устанавливается согласно требованиям «Указаний по проектированию и устройству молниезащиты зданий и сооружений» (СН 305—69), исходя из их назначения, интенсивности грозовой деятельности в районе их местонахождения, а также ожидаемого количества поражений их молнией в год. Средняя грозовая деятельность в часах за один год определяется по приведенной в СН 305—69 карте или на основании данных местных метеорологических станций.

Молниезащите подлежат следующие жилые и общественные здания и сооружения:
1.    Жилые и общественные здания или их части, возвышающиеся над уровнем общего массива застройки более чем на 25 м, а также отдельно стоящие здания высотой более 30 м, удаленные от массива застройки не менее чем на 100 м.
2.    Общественные здания III, IV, V степеней огнестойкости (детские сады и ясли, учебные и спальные корпуса школ и школ-интернатов, спальные корпуса и столовые санаториев, учреждений отдыха и пионерских лагерей, спальные корпуса больниц, клубов и кинотеатры).
3.    Здания и сооружения, имеющие историческое и художественное значение, подлежащие государственной охране как памятники истории и искусства.
Указанные в пп. 1 и 2 здания и сооружения подлежат молниезащите в том случае, если они расположены в местности, где средняя грозовая деятельность составляет 20 и более грозовых часов в год. Здания и сооружения, указанные в п. 3, требуется обеспечивать молниезащитой на всей территории СССР.
Указанные выше жилые и общественные здания и сооружения согласно СН 305—69 подлежат молниезащите по III категории, т. е. с устройством защиты от прямых ударов молнии и от заноса высоких потенциалов через надземные металлические коммуникации.

Величина импульсного сопротивления каждого заземлителя от прямых ударов молнии для жилых и общественных зданий принимается не более 20 ом.

Здания защищают от прямых ударов молнии молниеотводами, которые состоят из молниеприемников, принимающих непосредственно на себя грозовой разряд, заземлителей для отвода тока молнии в землю и токоотвода, соединяющего молниеприемник с заземлителем. Молниеотводы разделяют по месту расположения на отдельно стоящие и устанавливаемые непосредственно на здании или сооружении; по типу молниеприемника — на стержневые, тросовые и специальные; по количеству совместно действующих на одном сооружении молниеотводов — на одиночные, двойные и многократные. Если по архитектурным соображениям установка молниеотводов на здании неприемлема, молниезащиту зданий можно осуществлять наложением металлической заземленной сетки. Для этого используют стальную проволоку диаметром 6—8 мм, которую закрепляют на крыше в виде редкой сетки. Молниеприемная сетка должна иметь ячейки площадью не более 150 ж2, т. е. размером 12 х 12 или 6 X 24 м. Эту сетку не менее чем в двух противоположных сторонах присоединяют к заземлителям при помощи токоотводов, выполненных из такой же проволоки и прокладываемых по стенам зданий. Если защищаемое здание покрыто кровельной сталью, то устраивать специальные молниеотводы не нужно. Вокруг здания вдоль карниза необходимо уложить стальную проволоку диаметром 6 мм и надежно присоединить к металлической кровле не реже чем через 15—20 м и от этой проволоки установить токопроводы к заземлителям. Крепятся токоотводы к кровле болтовыми зажимами или сваркой. Выступающие над крышей дымовые и вентиляционные трубы необходимо оборудовать выступающими выше трубы на 30 см стержневыми молниеотводами из стальной проволоки диаметром 6—8 мм с присоединением их к заземленной кровле. На металлических трубах устройство стержневых молниеотводов не требуется, но трубы и крепящие их металлические растяжки нужно надежно соединить с кровлей или заземлителем. Молниеприемники стержневых молниеотводов выполняются из стальных стержней различных величины и формы сечения с защитой от коррозии. Минимальная площадь молниеприемника должна быть не менее 100 мм2, чему соответствует круглая сталь диаметром 12 мм, полосовая 35 X 3 мм, угловая 20 х 20 х 3 мм или газовые трубы со сплющенным и заваренным свободным концом. Молниеприемник тросового молниеотвода следует устраивать из стального многопроволочного оцинкованного троса сечением не менее 35 мм2 (диаметр 7 мм). Токоотводы необходимо выполнять из стали сечением 25—35 мм2 с применением стальной проволоки (катанки) диаметром не менее 6 мм или стали плоского, квадратного и других профилей. Токоотвод тросового молниеотвода необходимо выполнять из троса сечением не менее 35 мм2 или стальной проволоки диаметром не менее 6 мм.

Во всех случаях рекомендуется использование в качестве токоотводов металлических конструкций защищаемых зданий и сооружений (колонны, фермы, рамы, пожарные лестницы, металлические направляющие лифтов и др.). При этом необходимо обеспечивать непрерывность электрической связи в соединениях конструкций и арматуры, что, как правило, обеспечивается сваркой. Токоотводами не может служить предварительно напряженная арматура железобетонных колонн, ферм и других железобетонных конструкций.

Если здания имеют верхнее перекрытие из металлических ферм, установка молниеприемников или наложение молниеприемной сетки не требуется. В этом случае фермы соединяют токоотводами с зазем- лителями. Во всех случаях разрешается объединение заземлителей защиты от прямых ударов молнии, защитного заземления электрооборудования и заземлителя защиты от электростатической индукции.

Если здание имеет ширину 100 м и более и от прямых ударов молнии защищается молниеотводами, устанавливаемыми на здании, молниеприемной сеткой или с использованием металлической кровли, то, кроме наружных заземлителей, следует устраивать дополнительные заземлители для выравнивания потенциала внутри здания. Эти зазем- лители выполняются в виде протяженных стальных полос, уложенных не более чем через 60 м и по ширине здания. Полосы принимаются сечением не менее 100 мм2 и укладываются в грунте на глубине не менее 0,5 м. Каждый заземлитель торцами присоединяется к наружным контурам заземлителя защиты от прямых ударов молнии, а также подсоединен с шагом не более 60 м к токоотводам от молниеприемников.

В зависимости от расположения в грунте и формы электродов заземлители делят на следующие виды:
углубленные — из полосовой или круглой стали. Укладываются горизонтально на дно котлована в виде протяженных элементов или контуров по периметру фундаментов;
вертикальные — из стальных вертикально ввинченных стержней из круглой стали и забиваемых стержней из угловой стали и стальных труб. Ввинчиваемые электроды принимаются длиной 4,5—5 м, а забиваемые 2,5—3 м. Верхний конец вертикального заземлителя от поверхности земли поднимается на 0,5—0,6 м;
горизонтальные — из полосовой или круглой стали. Укладываются горизонтально на глубине 0,6—0,8 м от поверхности земли одним или несколькими лучами, расходящимися из одной точки, к которой присоединяется токоотвод;
комбинированные — объединяющие в общую систему вертикальные и горизонтальные заземлители.

Конструкция заземлителей принимается в зависимости от требуемого импульсного сопротивления с учетом удельного сопротивления грунта и удобства ведения работ по их укладке. В СН 305—69 приведены типовые конструкции заземлителей и значения их сопротивления прохождению тока. Все соединения заземлителей между собой и с токоотводами необходимо выполнять только сваркой с длиной сварочного шага не менее шести диаметров свариваемых круглых проводников. Болтовое соединение можно применять только при устройстве временных заземлителей.

От прямых ударов молнии защищаются неметаллические вертикальные трубы котельных и предприятий, водонапорные башни, пожарные вышки высотой 15 м и более. В этом случае величина импульсного сопротивления заземлителей принимается 50 ом на каждый ТОКООТЕОД. Для труб высотой до 50 м устанавливается один молниеприемник и один наружный токоотвод. При высоте трубы более 50 м принимается не менее двух молниеприемников и токоотводов, расположенных симметрично по трубе. Трубы высотой 100 м и более по периметру верхнего торца снабжаются стальным кольцом сечением не менее 100 мм2, к которому приваривается не менее двух токоотводов. Такие же кольца повторяются по высоте трубы через каждые 12 м.
Для металлических труб, башен и вышек не требуется установка отдельных молниеприемников и токоотводов, достаточно только присоединения их к заземлителю.

Металлические скульптуры и обелиски (памятники истории и искусства) следует подсоединять к заземлителям с величиной импульсного сопротивления не более 20 ом.

Зоной защиты называется пространство вокруг молниеотвода, в котором здание или сооружение оказывается защищенным от прямых ударов молнии. Достаточная надежность защиты объекта от прямых ударов молнии будет только в том случае, если все его части попадают в пределы этой зоны. Зону защиты можно рассчитывать аналитическим и графическим способами по формулам и номограммам. Зоны защиты могут образовываться одиночным, двойным и многократным стержневыми молниеотводами, а также одиночным и двойным тросовыми молниеотводами.

 

img-030

Рис. 4. Зона защиты четырех стержневых молниеотводов в плане


Высота молниеотводов определяется по номограмме достаточно точно и не требует математических вычислений. Например, для нахождения высоты двойного тросового молниеотвода на рис. 5 приведена номограмма, построенная таким образом, что высота молниеотводоз h определяется в зависимости от расстояния между молниеотводами а и от величины h0, представляющей собой наименьшую высоту зоны защиты между двумя молниеотводами (высоту защищаемого здания)- г
Полученную высоту опор тросового молниеотвода необходимо увеличивать на высоту стрелы провеса, зависящую от длины пролета. Г1о приведенным в СН 305—69 номограммам также можно определять высоту одиночного и двойного стержневых молниеотводов, а также одиночных и двойных тросовых молниеотводов высотой до 60 м.

Защита от заноса высоких потенциалов (атмосферных перенапряжений) устраивается следующим образом. На наружных проводах электролиний напряжением до 1000 в от ударов молнии возникает перенапряжение, и от заноса высоких потенциалов по проводам внутрь зданий могут возникать пожары, происходить несчастные случаи с людьми и животными. Предупредить это можно установкой на линиях разрядников, искровых промежутков (5—8 мм) или заземлением крючьев и штырей изоляторов фазных проводов и проводов радиотрансляционных, телефонных и других сетей. Такая защита обязательна для школ, яслей, клубов, больниц и других зданий с большим скоплением людей. Крючья на опорах электросети необходимо заземлять токоотводом из проволоки диаметром 5—6 мм, накрученной на крючья, и присоединением нулевого провода к заземляющему спуску болтовыми лужеными зажимами.

Если .вводы идут в помещения вспомогательного характера (склады, навесы и т. п.), то на опорах защиту следует выполнять на каждые 5 вводов к потребителям, чередуя их с незащищенными опорами. Расстояние между защищенными опорами не должно превышать 200 м (5—6 пролетов). Ввод в здание может выполняться от незащищенной опоры при условии, что она будет находиться на расстоянии не более 30 м от защищенной опоры.

Указанные защитные мероприятия могут не устраиваться, если сеть низкого напряжения экранирована от поражения молнией высокими деревьями, зданиями и т. п. или находится в районах, не подверженных грозовым поражениям. Возможность отказа от выполнения указанной защиты в каждом отдельном случае должны решать эксплуатационные или проектные организации совместно с представителями организаций энергонадзора. Чтобы предупредить занос высоких потенциалов радиоантеннами, необходимо вдоль каждой стойки проложить токопровод с присоединением его одним концом к зазем- лителю, а другой расположить в 10—12 мм от троса антенны.

Защита жилых и общественных зданий от вторичных воздействий молнии не требуется.