Организация молниезащиты высотных зданий

Существующие нормативные документы, касающиеся вопросов молниезащиты в целом, и регламентирующие требования к имеющимся у молниеприёмников заземлителям, в частности, не увязывают их с высотой объекта. Объясняется это тем, что, чаще всего, определяющим данный параметр не является. Так как, в подавляющем большинстве случаев, в подобных объектах располагаются собственные электроподстанции. Соответственно, требования, предъявляемые к заземлению упомянутой подстанции, однозначно превзойдут по степени жёсткости те, которые предъявляются к заземлителям здания, а контур выполняемого технологического заземления, вероятнее всего, неотделим от заземлителя установленной молниезащиты.

В качестве основы для обустраиваемого заземляющего устройства весьма часто используется фундамент (достаточно мощный), имеющийся у высотного здания. Причём конструкция данного фундамента в рассматриваемом случае непринципиальна, так как, в любом случае, ток молнии растекается по всей площади, которую занимает основание объекта. И вероятность того, что электроды, применяемые для заземления, существенно выдвинутся за внешний периметр фундамента, пренебрежимо мала.

С учётом вышесказанного, оценка граничных технических возможностей участка, отведённого для размещения заземляющего устройства, может быть выполнена легко. Для этого достаточно сформулировать следующее предположение. Пусть площадь грунта под имеющимся фундаментом полностью заполнена электродами из металла до расчетной глубины, обозначаемой «h». Проведённый для значений h=10m и h=20m компьютерный расчёт позволил построить следующий график

Маловероятно, что фундамент будет заглубляться на большую глубину. Кроме этого следует учитывать, что для объектов значительной площади влияние рассматриваемого параметра можно считать несущественным.

Рисунок 1. Соотношение минимально вероятного сопротивления заземления
с параметрами основания фундамента^*

Пример. Необходимо получить R_з= 4 Ом (для технологического заземления этот показатель считается классическим). При удельном сопротивлении грунтов ≤ 500 Ом*м (при отношении R_з/ρ >0,008 м^-1) добиться требуемого показателя не сложно, при условии, что сторона основания объекта превышает по длине 30.0 – 40.0 метров. Но, как только значение ρ превысит 1КОм*м, а отношение R_з/ρ < 0,004 м^-1 возникновение трудностей вполне предсказуемо. Так как минимальная длина каждой из сторон фундамента, в этом случае, должна будет превысить 80 метров. Упомянутых размеров они достигают далеко не у всех высотных объектов.

В тех случаях, когда правила электробезопасности не позволяют выбрать сопротивление (величина которого превышает указанное выше), присущее заземлению, необходимо проведение мер непопулярных:

замена грунта;
вынос конструкции заземления за внешний периметр фундамента;
дополнительное обустройство установленного на значительную глубину заземлителя.

Важно понимать, что, внося в конструкцию фундамента несущественные изменения, требуемого эффекта получить невозможно, т.к. в исходной модели изначально предполагалось, что вся, занятая фундаментом, площадь, полностью заполнена установленными электродами заземления

Изменение напряжений шага и прикосновения

Вопрос, касающийся воздействия упомянутых напряжений, является актуальным в силу значительного числа случаев поражения высотных объектов молниями. При этом тип молнии роли не играет. Несмотря на то, что предельные токи молний нисходящих многократно превышают аналогичный показатель восходящих, последние также требуется учитывать в обязательном порядке. Так как им в полной мере присуща возможность поднимать потенциал на поверхности земли до величины, представляющей реальную опасность для человека и животных.

Кривая на рис.2 даёт представление о том, как меняется значение шагового напряжения по мере удаления точки замера от фундамента высотного здания, размеры которого составляют 40*40 метров, и имеют сваи, заглубленные на 10 м. Наличие последних позволило довести R_з до значения в 4 Ом. Расчёты проводились для токов в 30 кА (характеризуют разряд молнии, относящийся к средней интенсивности).

Рисунок 2. Напряжение шага у основания сооружения с сопротивлением заземления 4 Ом при токе молнии 30 кА^*

Даже на удалении в 5 метров от внешнего периметра фундамента показатель напряжения сохраняется в пределах 5 кВ, что назвать безопасным для человека невозможно, особенно, если поверхность грунта в данном месте не изолирована (хотя бы уложенным асфальтом).

На рисунке 3 приводятся расчетные обобщённые кривые, характеризующие распределение шагового напряжения у различной площади фундаментов (80*80 и 20*20) метров. Упомянутые графики дают возможность провести оценку ожидаемых результатов для произвольных токов молний при любых грунтах. Пример. Объект расположен на грунте, обладающем удельным сопротивлением 1 КОм. Удар молнии с величиной тока 100 кА приводит к возникновению шагового напряжения ≥ 10 кВ даже на дистанции в 10 м от рассматриваемого фундамента.

Именно поэтому не рекомендуются пешие прогулки в грозу возле высотных зданий в тех случаях, когда вокруг последних не обустроен тротуар с нанесённым на него изоляционным покрытием (асфальт).

Динамика высокого напряжения

Упомянутым термином принято именовать транспортировку (перемещение) высокого напряжения (U_выс) по проложенным под землёй или наземным коммуникациям, которые связывают между собой объекты, расположенные на поверхности. Если, хотя бы одно, из упомянутых сооружений, является высотным, то от него в сторону остальных весьма часто рассылаются волны (U_выс).

Рисунок 4. График изменения напряжения cудельным сопротивлением грунта 500 Ом*м^*

Пример можно увидеть на рис.4. Приведённые на этом графике результаты расчётов демонстрируют динамику изменения значений напряжения во времени в процессе его передачи на расстояние двести или пятьсот метров по трубопроводу d=100 мм. При выполнении расчётов использовались следующие допущения:

молния ударяет в здание, имеющее заземлитель, сопротивление которого равняется 4 Ом;
трубопровод заглублен на 500 мм в грунт, показатель удельного сопротивления которого составляет 500 Ом.

Прекрасно видно, что импульс, перемещаемый по данному трубопроводу, очень медленно затухает. Его амплитуда ≥ 100 кВ даже через 500 метров (при значении тока, равном 100 кА). Подобное напряжение обязательно требуется учитывать в процессе проектирования молниезащиты на близко расположенных объектах. Даже в том случае, когда грунт на месте расположения высотного здания обладает значительной проводимостью и предполагается, что утечки тока будут быстро и значительно деформировать импульс, перемещаемый по трубопроводу, его фактическое значение распространяется, во многих случаях, на весьма приличные расстояния.

Сказанное подтверждается результатами расчётов, выполненных на компьютере (см. рис.16). В рассмотренном выше примере, снижение Rуд грунта до значения в 200 Ом привело к понижению амплитуды высокого потенциала почти в два раза. Подобное снижение не может рассматриваться, как принципиально изменившее степень опасности, которое разряд молнии дистанционно оказывает на животных и людей.

Рисунок 5. График изменения напряжения cудельным сопротивлением грунта 200 Ом*м^*

Заключение

Организуя молниезащиту сооружений, являющихся высотными, требуется, в первую очередь, уделять внимание защите объекта от электромагнитных наводок в его внутренних электроцепях, т.к. последние одинаково страдают как от нисходящих, так и от восходящих разрядов молний. Главной мерой, способствующей ограничению возникающих наводок, считается равное распределение по max количеству тоководов (преимущественно естественного характера) тока молнии.
В непосредственной близости от высотного объекта необходимо предусмотреть выполнение работ, по покрытию диэлектриком поверхности грунта, которое будет играть роль защиты человека от воздействия напряжений касания и шага.
Коммуникации, расположенные под землёй и на её поверхности, которые связывают объект высотный с соседними зданиями, относятся к источникам повышенной опасности, т.к. именно здесь часто возникают опасные заносы высоких потенциалов.
Считается целесообразным решением освобождение крыш высотных объектов, от какого бы то ни было размещения на них оборудования любого назначения, что позволит устранить проблему выведения его из строя во время грозы. Если существует острая необходимость выполнения монтажа упомянутого оборудования непосредственно на крыше, его требуется защищать системой молниеотводов локального назначения (сетка, тросовая и т.п.)

^* – иллюстрации взяты из статьи проф. Э. М. Базеляна «Молниезащита высотных сооружений»

Смотрите также:

Смотрите также: