В целях обеспечения безопасности людей, сохранности сооружений, оборудования и материалов от тепловых, механических и электрических воздействий молнии, разработана особая система защитных мер безопасности – молниезащита, представляющая собой комплекс технических решений и специальных приспособлений.
Нормативное регулирование
Требования к организации систем молниезащиты зданий и сооружений, расположенных на территории Российской Федерации, регламентируются следующими нормативными документами:
- «Инструкцией по молниезащите зданий и сооружений» РД 34.21.122-87
- «Инструкцией по устройству молниезащиты зданий, сооружений и промышленных коммуникаций» CO 153-34.21.122-2003.
Разрабатывая систему защитных мер объектов от ударов молнии, проектные организации могут руководствоваться положениями любой из указанных инструкций или использовать их комбинацию.
Элементы молниезащиты
Полный комплекс мер молниезащиты наземных объектов подразумевает сочетание систем внешней — защита от прямых ударов молнии и внутренней молниезащиты — устройства защиты от вторичных воздействий (наводок и импульсного перенапряжения). Внешняя молниезащита обеспечивает минимальный шанс прямого попадания молнии в сооружение, защищая тем самым его от повреждений. Она берёт на себя удар молнии, который затем отводится в грунт.
Комплекс мер внешней системы молниезащиты включает в себя три элемента:
-
Молниеприёмник (громоотвод, молниеотвод) – это устройство, предназначенное для перехвата молнии. Принцип действия молниеприемника состоит в том, что удар молнии приходится на наиболее высокие и хорошо заземленные металлические сооружения. Следовательно, если объект расположен в зоне защиты молниеотвода, то он не будет поражён молнией.
-
Токоотвод – устройство, выполняющее отвод тока молнии с молниеприёмника на заземление. Устанавливается на стену сооружения и водосточные трубы. Представляет собой омеднённую проволоку или полосу, которая тянется от молниеприёмника к заземлителю.
-
Заземлитель — устройство, выполняющее отвод 50% и более тока молнии, прошедшего по токоотводу в землю. Оставшийся ток распределяется по примыкающим к сооружению коммуникациям. Заземлитель - единственный элемент внешней молниезащиты, погруженный в грунт. Заземляющими электродами могут служить элементы разных размеров, материалов и форм, соответствующие требованиям нормативных документов.
Установить внешнюю молниезащитную систему можно как на самом защищаемом объекте, так и изолированно: в виде отдельно стоящих молниеприёмников и соседних сооружений, выполняющих функции естественных молниеотводов.
Внутренняя молниезащита включает в себя комплекс устройств, защищающих от импульсных перенапряжений (УЗИП) и выполняющих функции ограничения магнитного и электрического полей молнии, предотвращая тем самым искрения внутри объекта защиты.
2. Молниеприёмник как часть системы молниезащиты
Систему молниезащиты организуют по принципу максимального использования естественных молниеотводов. В случаях, когда обеспечиваемая ими защищённость недостаточна, то комбинируют со специально установленными элементами (искусственными молниеприёмниками).
Простота устройств, отсутствие необходимости в специальном техническом обслуживании и сравнительно надёжная защита объекта от поражения ударами молнии, обеспечили молниеприёмникам пассивной системы молниезащиты наиболее широкое распространение на практике.
Выделяют следующие типы пассивных молниеприёмников:
- стержневые (мачта);
- тросовые;
- сетчатые.
Молниеприёмники изготавливают из различных материалов: алюминий, медь, нержавеющая или оцинкованная сталь, с учётом минимальных сечений для каждого из них согласно нормативным документам.
Стержневой молниеприёмник (мачта)
Стержневые молниеприёмники-мачты, установленные на вышках
Стержневой молниеприёмник (или молниеприёмная мачта) представляет собой вертикальное устройство высотой обычно от 1 до 20 метров на крыше сооружения или рядом с ним, установленное таким образом, чтобы зона защиты покрывала защищаемый объект. Специальные зажимы, используемые при установке мачт, позволяют крепить их как к вертикальным (стена), так и горизонтальным (земля, крыша) поверхностям. От каждой мачты монтируют два токоотвода. Если молниеприёмник располагают на кровле сооружения, то используемое заземляющее устройство представляет собой горизонтальный контур, который усиливают в точках опусков токоотводов вертикальными заземлителями. Заземляющее устройство отдельно стоящих мачт выполняют тремя вертикальными заземлителями, объединёнными между собой по типу «куриной лапы». Стержневые молниеприёмники (мачты) выбирают в основном для защиты небольших зданий, не сложной архитектуры.
Тросовый молниеприёмник
Тросовый молниеприёмник
Конструкция тросового молниеприёмника состоит из двух мачт и натянутого между ними стального троса. К концам троса примыкают по одному токоотводу с заземлителем по типу «куриной лапы». При правильном расположении опорных мачт грозовые разряды уходят в землю за пределы защищаемого объекта. Тросовую молниезащиту широко применяют для невысоких строений. Стержневые и тросовые молниеприёмники подразделяются на одиночные, двойные и многократные, образуя общую зону защиты объекта. Многократные молниеприёмники используют для защиты крупных зданий или нескольких сооружений, занимающих значительную территорию.
Молниеприёмная сетка
Молниеприёмная сетка, установленная на крыше здания
Конструкция молниеприёмника изготавливается в виде сетки из металлического прутка на крыше защищаемого сооружения. Молниеприёмную сетку укладывают на кровлю здания с шагом (размером ячеек) от 5х5 м до 20х20 м в зависимости от категории молниезащиты объекта. Распространённый вопрос, который возникает при проектировании, — можно ли укладывать молниеприёмную сетку непосредственно на кровлю крыши. На самом деле, сетку можно укладывать прямо на кровлю или под утеплитель (см. пункт 2.11. в инструкции РД 34.21.122-87). По инструкции СО 153 3.2.2.4. если повышение температуры представляет для объекта опасность, то расстояние между токоотводом и горючей кровлей или стеной, должно быть больше 0,1 м. При этом металлический зажим может быть в контакте с горючей стеной. Если стена или кровля являются горючими, но повышение температуры для них не опасно, то разрешается крепление непосредственно к стене.
Токоотводы монтируют по всему периметру молниеприёмника с шагом от 10 до 25 м (зависит от уровня защиты). Тип кровли защищаемого сооружения (мягкая или жёсткая) определяет способ крепления «сетки» к поверхности крыши. При соблюдении условия не горючего основания, молниеприёмная сетка может быть уложена в «кровельном пироге». Заземлитель для данного типа молниеприёмника представляет собой замкнутый горизонтальный контур, усиленный в точках опусков токоотводов.
3. Категории молниезащиты
Выбор типа молниеприёмника зависит от того, к какой категории по устройству молниезащиты относится строение.
Нормами установлены три категории устройств молниезащиты в зависимости от взрывной и пожарной опасности, вместимости, огнестойкости и назначения защищаемых объектов, а также с учётом среднегодовой продолжительности гроз в географическом районе расположения объекта, см. категории молниезащиты в таблице № 1 из пункта 1.1. в РД 34.21.122-87:
| Здания и сооружения | Местоположение | Тип зоны защиты при использовании стержневых и тросовых молниеотводов | Категория молниезащиты | |
|
1
|
Здания и сооружения или их части, помещения которых согласно ПУЭ относятся к зонам классов В-I и В-II | На всей территории СССР | Зона А | I |
|
2
|
То же классов В-Iа, В-Iб, В-IIа | В местностях со средней продолжительностью гроз 10 ч в год и более | При ожидаемом количестве поражений молнией в год здания или сооружения N>1 — зона А; при N≤1 — зона Б | II |
|
3
|
Наружные установки, создающие согласно ПУЭ зону класса В-Iг | На всей территории СССР | Зона Б | II |
|
4
|
Здания и сооружения или их части, помещения которых согласно ПУЭ относятся к зонам классов П-I, П-II, П-IIа | В местностях со средней продолжительностью гроз 20 ч в год и более | Для зданий и сооружений I и II степеней огнестойкости при 0,1 2- зона А | III |
|
5
|
Расположенные в сельской местности небольшие строения III — V степеней огнестойкости, помещения которых согласно ПУЭ относятся к зонам классов П-I, П-II, П-IIа | В местностях со средней продолжительностью гроз 20 ч в год и более при N< 0,02 | - | III |
|
6
|
Наружные установки и открытые склады, создающие согласно ПУЭ зону классов П-III | В местностях со средней продолжительностью гроз 20 ч в год и более | При 0,12 — зона А | III |
|
7
|
Здания и сооружения III, IIIa, IIIб, IV, V степеней огнестойкости, в которых отсутствуют помещения, относимые по ПУЭ к зонам взрыво- и пожароопасных классов | То же | При 0,12 — зона А | III |
|
8
|
Здания и сооружения из легких металлических конструкций со сгораемым утеплителем (IVa степени огнестойкости), в которых отсутствуют помещения, относимые по ПУЭ к зонам взрыво- и пожароопасных классов | В местностях со средней продолжительностью гроз 10 ч в год и более | При 0,12 — зона А | III |
|
9
|
Небольшие строения III-V степеней огнестойкости, расположенные в сельской местности, в которых отсутствуют помещения, относимые по ПУЭ к зонам взрыво- и пожароопасных классов | В местностях со средней продолжительностью гроз 20 ч в год и более для III, IIIa, IIIб, IV, V степеней огнестойкости при N<0,1, для IVa степени огнестойкости при N<0,02 | - | III |
|
10
|
Здания вычислительных центров, в том числе расположенные в городской застройке | В местностях со средней продолжительностью гроз 20 ч в год и более | Зона Б | II |
|
11
|
Животноводческие и птицеводческие здания и сооружения III-V степеней огнестойкости: для крупного рогатого скота и свиней на 100 голов и более, для овец на 500 голов и более, для птицы на 1000 голов и более, для лошадей на 40 голов и более | В местностях со средней продолжительностью гроз 40 ч в год и более | Зона Б | III |
|
12
|
Дымовые и прочие трубы предприятий и котельных, башни и вышки всех назначений высотой 15 м и более | В местностях со средней продолжительностью гроз 10 ч в год и более | - | III |
|
13
|
Жилые и общественные здания, высота которых более чем на 25 м превышает среднюю высоту окружающих зданий в радиусе 400 м, а также отдельно стоящие здания высотой более 30 м, удаленные от других зданий более чем на 400 м | В местностях со средней продолжительностью гроз 20 ч в год и более | Зона Б | III |
|
14
|
Отдельно стоящие жилые и общественные здания в сельской местности высотой более 30 м | То же | Зона Б | III |
|
15
|
Общественные здания III-V степеней огнестойкости следующего назначения: детские дошкольные учреждения, школы и школы-интернаты, стационары лечебных учреждений, спальные корпуса и столовые учреждений здравоохранения и отдыха, культурно-просветительные и зрелищные учреждения, административные здания, вокзалы, гостиницы, мотели и кемпинги | То же | Зона Б | III |
|
16
|
Открытые зрелищные учреждения (зрительные залы открытых кинотеатров, трибуны открытых стадионов и т.п.) | То же | Зона Б | III |
|
17
|
Здания и сооружения, являющиеся памятниками истории, архитектуры и культуры (скульптуры, обелиски и т.п.) | То же | Зона Б | III |
Категории молниезащиты по РД 34.21.122-87
I категория молниезащиты
Для молниезащиты строений, относящихся к I категории, используются молниеприёмные мачты или тросовые молниеприёмники, см. пункт 2.1. в РД 34.21.122-87. Обязательным условием является обеспечение зоны защиты типа А в соответствии с требованиями приложения 3.
II категория молниезащиты
Для молниезащиты строений II категории, имеющих неметаллическую кровлю, применяются молниеприёмные мачты или тросовые молниеприёмники, устанавливаемые изолированно или на самом защищаемом объекте см. пункт 2.11 в РД 34.21.122-87. При этом обязательным условием является обеспечение зоны защиты в соответствии с требованиями приведённой в статье таблицы и приложения 3 в РД 34.21.122-87. Если устройства молниезащиты расположены на объекте, то для каждой молниеприёмной мачты или стойки тросового молниеприёмника необходимо не менее двух токоотводов. Для обеспечения молниезащиты сооружений, уклон кровли которых не превышает 1:8, может использоваться молниеприёмная сетка.
В качестве материала для изготовления молниеприёмной сетки применяют стальную проволоку диаметром не менее 6 мм. Конструкцию с шагом ячеек не более 6х6 м укладывают на кровлю здания поверх или под огнеупорные материалы. Металлические конструкции, возвышающиеся над крышей строения, необходимо присоединять к молниеприёмной сетке, а не металлические - оборудовать дополнительными устройствами защиты от удара молнии, так же закрепляя их с «сеткой».
Сооружения с металлическими фермами, кровли которых построены с использованием огнеупорных материалов, не требуют установки устройств молниезащиты. Металлическая кровля строений сама выступает в качестве молниеприёмника. При этом устройствами молниезащиты необходимо оборудовать все возвышающиеся над крышей неметаллические элементы объекта защиты. Токоотводы монтируют от металлической кровли или молниеприёмной сетки с шагом 25 м по периметру здания. Для всех типов молниеотводов, используемых для защиты строений II категории, обязательно выполнение требования пункта 2.6 в РД 34.21.122-87.
III категория молниезащиты
Для молниезащиты строений, относящихся III категории, применяют один из указанных выше способов (молниеприемные мачты, тросовые молниеотводы или сетку) с соблюдением действующих требований.
По возможности, в качестве токоотвода применяют металлические конструкции самого защищаемого объекта. Обязательным условием при этом является непрерывная электрическая связь в соединениях конструкций с остальными элементами системы внешней молниезащиты (молниеприёмниками и заземлителями). Расположенные снаружи здания токоотводы необходимо монтировать на расстоянии не более 3 м от входов или в местах, не доступных для прикосновения людей.
Нормативными документами по организации молниезащиты наземных объектов не предусмотрено никак требований к расстоянию между отдельно стоящим молниеотводом и объектом защиты, его подземными коммуникациями. Применяя молниеприёмную сетку для строений III категории, необходимо предусмотреть шаг её ячеек не более 12 х 12м.
4. Зоны защиты стержневых и тросовых молниеприёмников
Выбор количества и высоты стержневых и тросовых молниеотводов должен производиться с помощью расчёта их зон защиты.
Под зоной защиты понимают площадь заданной геометрии в окрестности молниеприёмника, на которой вероятность прямого удара молнии в размещённый там объект не превысит заданной величины.
Для обеспечения молниезащиты строения на уровне требуемой надёжности, весь объём защищаемого объекта должен располагаться в зоне защиты молниеприёмника.
Одиночная молниеприёмная мачта обеспечивает зону защиты строения в виде кругового конуса высотой h0< h, радиус которого находится на уровне земли r0, а вершина расположена на вертикальной оси молниеприёмника, где h0 - высота конуса, h - высота мачты.
Зона защиты одиночного стержневого молниеприёмника
Одиночный тросовый молниеприёмник обеспечивает зону защиты в виде равнобедренного треугольника, вершина которого находится на высоте h0< h, а основание расположено на уровне земли 2r0, где h - высота натянутого между мачтами троса.
Зона защиты тросового молниеприёмника
Расчёт зон защиты стержневых и тросовых молниеприёмников производится согласно CO 153—343.21.122-2003.
5. Выбор типа молниеприёмника
На основании всего вышеизложенного, делаем вывод, что выбор типа молниеприёмника необходимо производить исходя из конструкций зданий и сооружений и материалов их кровли, с обязательным учётом категории молниезащиты и соблюдением всех необходимых требований РД 34.21.122-87 и CO 153—343.21.122-2003.
Осуществляя молниезащиту строений при помощи стержневых и тросовых молниеприёмников, их располагают таким образом, что бы объект целиком находился в их зонах защиты, рассчитываемых для каждого типа молниеотвода согласно CO 153—343.21.122-2003.
При выборе молниеприёмной сетки важно учитывать, что шаг сетки (размеры ячеек) определяется категориями молниезащиты см. РД 34.21.122-87.
Для комплексной молниезащиты объектов могут применяться комбинированные типы, например тросостержневые. Нередко «сетку» комбинируют со стержневыми молниеприёмниками, что обеспечивает довольно надёжную защиту.
Широкое применение стержневых молниеприёмников обусловлено простотой и относительной дешевизной их изготовления. В основном молниеприёмные мачты выбирают для защиты небольших строений, не сложной архитектуры. Для молниезащиты крупных зданий или нескольких сооружений, занимающих значительную территорию, используют многократные стержневые молниеприёмники.
Тросовые молниеприёмники выбирают для защиты весьма протяжённых объектов. По экономическим параметрам обустройство ими сооружений сопоставимо со стержневыми устройствами молниезащиты, однако в процессе эксплуатации они показали себя менее надёжными.
На сегодняшний день, пожалуй, самым распространенным устройством молниезащиты кровли строений, относимых ко II и III категориям, является молниеприёмная сетка.
Однако, современная научная общественность не подтверждает эффективность её использования в защите от прямых ударов молнии, ввиду недостаточного повышения высоты данного молниеприёмника (2-3 см) над объектом, обеспечивая при этом недостаточную надёжность защиты сооружения (подробнее в вебинаре «Вопросы и проблемы нормативной документации»).
Наличие установленной системы внешней молниезащиты не является гарантией полной защиты от всех воздействий молнии. Для защиты от вторичных последствий необходимо обязательно защищать объект комплексно: элементы внешней молниезащиты, а также внутренняя молниезащита, которая представляет из себя совокупность устройств защиты от импульсного перенапряжения (УЗИП).
Смотрите также:
- Грозоизолятор - система полной изоляции от удара молнии
- Молниезащита и заземление
- Полезные материалы для проектировщиков: статьи, рекомендации, примеры
Смотрите также:
УЗИП и его плавкая вставка
Молниезащита объектов в районах вечной мерзлоты
Молниезащита и заземление для базовых станций стандарта 5G
Анализ нормативного документа ФЕДЕРАЛЬНЫЕ НОРМЫ И ПРАВИЛА В ОБЛАСТИ ПРОМЫШЛЕННОЙ БЕЗОПАСНОСТИ "ПРАВИЛА БЕЗОПАСНОСТИ ПРИ ВЗРЫВНЫХ РАБОТАХ"