Молниезащита зданий и сооружений Учебно-методическое пособие

Основные компоненты защитных систем

Основным показателем защитных свойств является соотношение H/h, в котором числитель – расстояние от начала разряда молнии до земли, куда будет направлен этот разряд. Знаменатель представляет собой высоту самого молниеотвода. Методики расчетов и определение границ защитных зон различаются между собой, особенно, когда используются двойные или многократные конструкции молниеотводов.

Комплект оборудования, предназначенного для защиты зданий и сооружений, выполняет функцию улавливания естественных электрических разрядов, проведения и передачи их в грунт по специально проложенным путям и через заземляющий контур. Таким образом, обеспечивается защита материальных ценностей, предотвращается их повреждение и разрушение.

Стандартный защитный комплекс состоит из следующих компонентов:

• Молниеприемник. Данный элемент самым первым принимает на себя электрический разряд. Эти устройства более известны под названием громоотводов или молниеотводов. Конструктивно они изготавливаются из заостренных металлических стержней, либо представляют собой мачту или трос, протянутый горизонтально вдоль конька и по периметру крыши.
• Токоотвод. Проводник из металла, закрепляемый на наружных стенах или на удалении от них, по которому осуществляется прохождение тока высокого напряжения, полученного при разряде молнии.
• Заземление. Изготавливается из металлических конструкций по различным схемам. Они заглубляются в грунт на основании точных инженерных расчетов. Соединенный с токоотводом, заземляющий контур передает разряд электричества в землю, и на этом нейтрализация удара молнии заканчивается.

Акула

Также представляет собой многофункциональную программу, которая помимо расчета заземляющего контура поможет вычислить систему грозозащиты, проводку освещение и другие параметры оборудования и электрических сетей. К преимуществам этого софта следует отнести его простоту и русифицированный интерфейс. Ее также как и предыдущий вариант, можно использовать на бесплатной основе.

Для расчета в соответствующие поля программы вводятся данные о сопротивлении грунта (учитывается по типу и толщине слоя), горизонтальных и вертикальных электродов.

Процесс использования программы заключается в следующем:

• в меню «Сервис» нужно выбрать опцию «Создать расчетный модуль»;
• укажите тип модуля, в нашем случае это «Расчет заземляющий устройств»;

Программа Акула создание модуля

• Внесите нужные параметры в соответствующие поля и нажмите кнопку «Расчитать»

Виды молниеприемников

Системы молниезащиты зданий могут выполняться по различным схемам. Чаще всего используются классические варианты со стержневыми молниеотводами, состоящими из стержней, соединенных с заземляющим контуром специальным проводником. Они отличаются простотой изготовления и надежностью в процессе эксплуатации. В других конструкциях основным элементом служит пространственная сетка, расположенная на крыше здания.

При прямом ударе молнии, она выполняет распределение и последующее гашение разряда. Натяжные системы работают по такому же принципу, что и стержневые конструкции, только принимающие проводники натягиваются по всему периметру крыши защищаемого объекта.

В конструкциях перечисленных схем используются стальные стержни, тросы или сетки, изготовленные из прутка диаметром не ниже 6 мм. Соединение узлов выполняется с помощью сварки. Натяжной защитный молниеотвод применяются на кровлях со сложной конфигурацией. Для пространственной сетки необходимо больше материалов, а их установка достаточно сложная, требующая знаний и практических навыков.

Каждый молниеотвод выбирается в индивидуальном порядке. Учитываются конструктивные особенности зданий и сооружений, их форма, размеры и расположение относительно друг друга. На основе этих данных делается расчет молниезащиты. Все подобные устройства создают условную защитную зону, примыкающую к ним со всех сторон.

Внутри этого пространства все объекты оказываются под защитой, и им не страшны прямые удары молний. Здесь обеспечивается определенная степень надежности, разделенная на два типа: А – 99,5% и более, Б – 95% и более. Второй вариант, как правило, используется на объектах сельского хозяйства.

ElectriCS Storm

Является серьезной программой для расчета заземляющего устройства, поможет также вычислить параметры молниезащиты и электромагнитной совместимости. Имеет достаточно развернутый функционал вычислений и получаемых в результате данных об объектах. С ее помощью можно узнать распределение потенциала по заземлению при коротких замыканиях, поле шагового напряжения в аварийной ситуации и другие величины.

Диаграмма распределения напряженности при КЗ

В отличии от предыдущих вариантов ElectriCS Storm не подойдет для использования новичками. Для работы в ней понадобятся не только базовые знания в области электротехники, но и навыки их применения в Автокаде с трехмерным моделированием. Что актуально для профессиональных проектировщиков, занимающихся строительством подстанций, котельных, насосных, КТП и других объектов с мощным оборудованием и разветвленным защитным контуром.

Пример моделирования ElectriCS Storm

К недостаткам этой программы относится довольно высокая плата, которую пользователи должны внести за ключ активации или более расширенную версию с поддержкой определенных модулей и обновлений.

Как рассчитать заземление в частном доме вручную

Как вы уже поняли, основной параметр, который необходимо рассчитать – это общее сопротивление на растекание, т.е. нужно подобрать такую конфигурацию электродов, чтобы сопротивление заземляющего устройства, не превышало нормативное. Согласно положениям правил устройств электроустановок (ПЭУ), необходимо соблюдать определенные максимумы для токов:

• 2 Ом — для 380 вольт;
• 4 Ом — для 220 вольт;
• 8 Ом — для 127 вольт.

Правильный расчет начинается с подсчета оптимального размера и количества стержней. Для того чтобы сделать это вручную, легче всего воспользоваться упрощенными формулами, приведенными ниже.

• Ro – сопротивление стержня, Ом;
• L – длина электрода, м;
• d – диаметр электрода, м;
• T – расстояние от середины электрода до поверхности, м;
• pэкв – сопротивление грунта, Ом;
• ln — натуральный логарифм;
• π — константа (3,14).

• Rн – нормируемое сопротивление заземляющего устройства (2, 4 или 8 Ом).
• ψ – поправочный климатический коэффициент сопротивления грунта (1,3, 1,45, 1,7, 1,9, в зависимости от зоны).

Используя эти формулы, вы можете рассчитать заземляющее устройство достаточно точно, однако для упрощения расчета некоторые коэффициенты опускаются.

Также очень важно, чтобы при выборе глубины залегания и длины заземляющих стержней, нижний конец проходил ниже уровня промерзания, так как при отрицательных температурах резко возрастает сопротивление грунта, и возникают определенные сложности.

Молниеотвод и спуск

Что касается первой составляющей молниезащиты (молниеприемника) – требованиями ПУЭ предусматривается, чтобы он располагался в самой верхней точке защищаемого строения.

Для стандартных конструкций штыревого класса место размещения этого элемента выбирается исходя из того, чтобы заостренный конец его пики находился на 2-3 метра выше плоскости или конька крыши.

При наличии на защищаемом объекте нескольких штыревых молниеприемников согласно общепринятой методике обязательно просчитывается расстояние между соседними молниеотводами.

В случае использования тросового или сеточного молниеприемника для соответствующих элементов молниезащиты проводят расчеты либо основные параметры троса (длина и сечение), либо размеры отдельной ячейки сетки.

Молниеотводы большей длины применять не рекомендуется, поскольку они начнут притягивать к себе даже те грозовые разряды, которые ничем не угрожают данному объекту.

Токоотвод необходим для перенаправления электрического разряда, принятого молниеприемником, в направлении заземляющего устройства. С одной стороны он подсоединяется к «уловителю» молний, а с другой – к конструкции заземлителя.

Его основными расчетными величинами являются материал отводящей ленты, ее длина и сечение, обеспечивающие наименьшее электрическое сопротивление отводящей цепочки.

С точки зрения расчета системы для достижения требуемого результата этот элемент должен изготавливаться из металлов с высокой электропроводностью и иметь достаточно большое сечение (обычно оно составляет 6-8 кв. мм).

Калькулятор elec.ru

Достаточно удобный вариант расчета заземления, если у вас нет времени для установки программы на ПК. Это онлайн калькулятор, который даже при минимальной скорости интернета позволит рассчитать основные параметры заземляющих проводников. Для этого вам достаточно перейти на страницу калькулятора и внести соответствующие данные в поля сайта:

• предельное значение сопротивления для заземления;
• характеристики грунта, в котором оно будет устанавливаться;
• параметры для вертикальных электродов и горизонтальных соединений;

Нажмите кнопку «Рассчитать» и в разделе расчетных данных появятся интересующие вас параметры.

Программа расчета elec.ru

Калькулятор расчета заземления на нашем сайте

Калькулятор расчета заземления asutpp.ru
Также представляет собой довольно хорошую версию онлайн программы для расчета заземления. Здесь приведены методики расчета, по которым и осуществляются вычисления. Это наиболее удобный вариант, если вы не хотите тратить время и силы на установку программ, а произвести математические операции нужно срочно.

В сравнении с другими вариантами, этот калькулятор обладает удобным и понятным интерфейсом, при проектировании учитывается ряд важных показателей, а именно:

• послойные характеристики грунта с поправками на климатический коэффициент;
• соотношение длины заземлителей и контактрующих веществ;
• число и размеры электродов для заземления.

Для расчета вам достаточно нажать кнопку «Вычислить», и на экране вы увидите наиболее важные факторы для определения параметров будущего заземления. Немаловажным фактором является полное соответствие полученных параметров предъявляемым требованиям, установленным нормативными документами. Обновление расчетных характеристик также проводится в онлайн режиме – достаточно перезапустить страницу и начать новые вычисления.

Перейти к этой программе можно по ссылке: https://www.asutpp.ru/raschet-zazemleniya.html

Программа «Заземление»

Представляет собой довольно простую в использовании программу. Расчет заземления в ней производится на основании простых алгоритмов расчета. С рабочим полем и принципом ее работы несложно разобраться даже новичку, поэтому такую программу можно считать универсальной.

Для начала вычислений вам достаточно внести:

• размеры вертикальных и горизонтальных заземлителей;
• способ их расположения и соединения;
• климатические условия, в которых эксплуатируется заземление;
• данные о грунте, питании сети.

Нажав кнопку «Расчет» на экране появятся интересующие вас данные.

Работа в программе Заземление

Скачать данную утилиту вы можете по ссылке на официальном сайте: https://rzd2001.narod.ru/zz.html

Расчет заземляющих устройств

Как и предыдущий вариант, это тоже относительно простая в использовании программа для расчетов заземления. Помимо интересующего нас направления, она позволяет определять и параметры молниезащиты. Интерфейс этого программного обеспечения при вычислениях также не вызывает никаких сложностей с операциями.

Расчет заземляющих устройств

Для вычислений в поля программы необходимо внести такую информацию:

• нормативную величину сопротивления электрическому току, которую можно получить;
• тип грунта от которого выбирается его удельное сопротивление;
• климатическая зона, в которой будет устанавливаться заземление;
• габаритные параметры вертикальных и горизонтальных заземлителей и способ их размещения.

В результате работы программы пользователь получает количество электродов и прогнозируемую величину сопротивления.

Назначение и состав системы

Для защиты зданий от грозовых разрядов чаще всего используется так называемая «пассивная» молниезащита, состоящая из таких конструктивных элементов, как:

• молниеприемник, обустраиваемый в виде металлического штыря, троса или специальной сеточной конструкции;
• токоотвод (спуск), используемый для перенаправления разряда на заземляющее устройство (ЗУ);
• сама заземляющая конструкция.

Далее будут рассмотрены основные параметры системы молниезащиты, подлежащие расчету.

Молниезащита зданий, сооружений, оборудования и коммуникаций

Атмосферные явления с образованием молний, сопровождаемых яркими вспышками света, громом, называют грозами. Молнии – это грозовые разряды электричества, возникающие между облаками и Землей; внутри облаков.

Попадание молнии в дом

Опасность для жизни людей, сохранности промышленных, общественных строений, высотных инженерных сооружений – дымовых труб, антенн телевидения, радиосвязи, включая сотовую; вышек, опор электрических сетей; технологического оборудования, расположенного на открытых промышленных площадках, например, для ректификационных колонн предприятий нефтепереработки представляют молнии первого типа.

Необходимость устройства молниезащиты связана с тем, что напряжение при грозовых разрядах достигает 50 млн. В, а сила тока – до 100 тыс. А; с выделением огромного количества световой, звуковой и тепловой энергии. Грозовые разряды являются электрическими взрывами, сходными с детонацией, наносящими разрушения строениям, ломающими деревья, послужившие им источниками заземления; травмируют, контузят людей, что нередко приводит к их гибели.

Молниезащитой называют комплекс технических решений, что надежно обеспечивают безопасность людей, предохранение строений различного назначения, высотных объектов; технологического, инженерного оборудования производственных объектов; коммуникаций инфраструктуры населенных пунктов, линий электропередач как от прямых ударов грозовых разрядов, электромагнитной, электростатической индукции, так и от передачи электротока через металлоконструкции, коммуникации.

Заземление и молниезащита – это то, чем согласно нормам должны быть оборудованы промышленные здания, инженерные коммуникации, а также другие объекты. Кроме того, пункт 4 статьи 50 Федерального закона РФ №123-ФЗ предписывает в качестве одного из способов исключения источников зажигания устраивать защиту от молний для зданий, оборудования для повышения уровня пожарной безопасности на объектах.

Нормы устройства молниезащиты

Учитывая, что строения, сооружения, технологические установки, коммуникации довольно сильно отличаются по своему устройству, исполнению разработаны государственные, ведомственные, корпоративные нормы; стандарты, правила проектирования для организации оптимальной, эффективной защиты от грозовых разрядов для каждого типа объектов – от производственных объектов, где она впервые стала применяться, до жилых домов.

В основе норм, что регламентируют создание технической защиты от молний, опыт организации электрической безопасности строений разного вида, назначения, с учетом особенностей, присущих современным постройкам, сооружениям и коммуникациям инфраструктуры, связи.

Требования к молниезащите изложены во многих официальных документах. Проектирование, расчет молниезащиты ведется на основании следующей нормативно-технической базы:

• «Правил устройства электроустановок». В настоящее время действует седьмое и некоторые главы шестого издания этого основополагающего документа, без знания требований которого невозможно проектирование любых видов, типов электрических установок, оборудования, аппаратуры защиты от поражения электротоком, включая молниезащиту. Промышленная безопасность защищаемых объектов с категориями по взрывопожарной опасности помещений, зданий также невозможна без этого вида защиты от высоковольтных разрядов электрического тока. Это учитывают требования по организации, исполнению молниезащиты для различных видов строений, инженерных сооружений, электрических коммуникаций, указанные в нескольких главах ПУЭ. Главы 2.4, 2.5 – для воздушных линий электропередач с рабочим напряжением меньше и больше 1 кВ соответственно, включая карту районирования территории России с указанием длительности гроз в году, что необходимо при проектировании систем, устройств молниезащиты. Глава 4.2 – для распределительных устройств, электрических подстанций напряжением больше 1 тыс. В. Глава 4.3 – для преобразовательных подстанций, установок.
• РД 34.21.122-87 «Инструкция по устройству молниезащиты зданий, сооружений». Ее предназначение видно из названия. Несмотря на то что документ утвержден еще Министерством энергетики Советского Союза, по согласованию с Госстроем, он действует и сегодня.
• Некоторые ее положения неизбежно устарели, не успевая за научно-техническим прогрессом, поэтому при проектировании современных технических систем, устройств защиты от грозовых разрядов пользуются российскими ГОСТ, идентичными стандартам Международной электротехнической комиссии; а также отечественными инструкциями по молниезащите, вышедшими в свет позднее.
• Один из этих документов СО 153-34.21.122-2003, разработанный тем же коллективом ученых, регламентирует устройство молниезащиты как строений, так и инфраструктурных коммуникаций.
• ГОСТ Р МЭК 62305-1-2010, ГОСТ Р МЭК 62305-2-2010, представляющие собой две части одного национального стандарта о менеджменте рисков при защите объектов от грозовых разрядов. В первой части сформулированы общие принципы, во второй – методики оценки рисков гибели, получения травм от поражения электротоком людей; полного/частичного разрушения объектов, общественных коммуникаций; экономических потерь от попадания молний.
• Важно, что при этом рассматриваются такие факторы, как пожарная безопасность, так как в расчетах учитываются пространства с огнеопасной средой – воздушной смесью паров горючих жидкостей, газов, пыли.
• ГОСТ Р МЭК 62561.1-2014. Это первая часть национального стандарта об элементах систем защиты от молний, касающаяся требований к их частям, соединениям.
• ГОСТ Р МЭК 62561.2-2014 – к проводникам, электродам заземления.
• ГОСТ Р МЭК 62561.3-2014 – к распределительным разрядникам.
• ГОСТ Р МЭК 62561.4-2014 – к элементам крепления.
• ГОСТ Р МЭК 62561.5-2014 – к смотровым колодцам, уплотнителям электродов заземления.

Требования к проектированию, устройству заземления, защиты от молний электроустановок, оборудования зданий, линий электропередач в СССР также устанавливал СНиП 3.05.06-85 об электротехнических устройствах. Сегодня действует свод правил, выпущенный как его актуализированная версия – СП 76.13330.2016.

Помимо норм, действующих на территории РФ, следуют упомянуть сходные требования к системам защиты от грозовых зарядов, применяемые в союзных государствах. В Республике Казахстан – это СП РК 2.04-103-2013 об устройстве молниезащиты объектов, вышедший взамен аналогичной инструкции СН РК 2.04-29-2005; в Республике Беларусь – технический кодекс ТКП 336-2011 о защите от молний объектов, инженерных коммуникаций.

Тип зон молниезащиты

Под системами защиты от молний объектов, инженерных, коммуникаций и технологического оборудования понимают внешние и внутренние технические устройства, позволяющие защитить их как от прямого воздействия ударов молний, так и от вторичных воздействий – электрических, электромагнитных полей, сопровождающий грозовой разряд.

Различают активные и пассивные системы защиты от молний.

Пассивная, способная перехватить молнию до ее разряда на конструкции строительного объекта, корпуса оборудования или части инженерного, коммуникационного сооружения, и отвести заряд в землю, состоит из следующих элементов:

• Приемника молний.
• Молниеотводов.
• Заземляющих устройств.

В активной системе к этим неотъемлемым элементам добавляются устройства, генерирующие восходящий поток ионов, притягивающий к себе грозовой разряд.

Проектируются, монтируются несколько видов систем молниезащиты – стержневая, тросовая, которые по результатам проведенных расчетов, в зависимости от количества стержней/тросов, их расстановки/расположения, конфигурации площади защиты, могут создавать два типа зон молниезащиты:

• А. Степень надежности защиты – от 99, 5%.
• Б – от 95%.

Виды систем молниезащиты

На практике, если строительный объект, технологическая установка, вышка, столб, антенна инженерных коммуникаций полностью находится в зоне защиты от попадания молний, вероятность их поражения грозовым электрическим разрядом стремится к нулю.

Классификация зданий и сооружений по устройству молниезащиты

Существуют следующие категории молниезащиты строительных объектов, зависящие от назначения, значимости, класса пожарной опасности и возможности взрыва; пожарной нагрузки – наличия, количества, вида взрывопожароопасных материалов; региональной частотности грозовых разрядов; зафиксированных попаданий молний:

• I категория, имеющая наивысший уровень защиты от возможного прямого попадания молний в объект. Это производственные объекты с наличием взрывоопасных зон классов опасности В-I, II. Тип зоны защиты – А.
• II категория. Это здания производственного, складского назначения, открытые площадки как с хранением ЛВЖ, ГЖ, так и с установленным на них технологическим оборудованием, где они обращаются; а также взрывоопасные производства, наружные установки классом опасности ниже В-Iа. Тип зоны защиты для технологического оборудования, установленного на открытых промышленных площадках – Б; для объектов – А или Б в зависимости от прогнозируемого количества грозовых разрядов в год.
• III категория. К ней относятся строительные объекты различного назначения III–V степеней стойкости к огню в районах, где годовая продолжительность гроз больше 20 часов. Основной тип молниезащиты – Б.

Определить все основные параметры системы защиты от попадания молний для любого конкретного объекта можно по таблице 1 РД 34.21.122.

Виды молниезащиты

Система молниезащиты в зависимости от категории объектов может быть нескольких видов:

• Защищающая от прямых ударов. Устройства, используемые для этого, называют молниеотводами, состоящими из несущей опоры, в качестве которой может служить сам строительный объект, приемника разряда, токоотвода и заземлителя. Применяют как стержневые, тросовые молниеотводы, так и металлическую сетку, уложенную на кровлю защищаемого объекта. Для воздушных линий электропередач используют грозозащитные тросы, принимающие разряд молнии.
• От электростатической индукции. Осуществляется путем подсоединения всего электрооборудования к системе заземления объекта.
• От электромагнитной индукции. Для этого в местах соединений устраиваются токопроводящие перемычки между участками трубопроводов, эстакад.
• От заноса электрического потенциала, вызванного грозовым разрядом. Для этого все входящие в здания, сооружения коммуникации, включая металлическую оболочку электрических кабелей напряжением до 1 тыс. В, заземляются. Воздушные линии электропередач на подходах к объекту оборудуют грозозащитными тросами, а на опорах монтируют разрядники, ограничители перенапряжения.

Средства и способы молниезащиты

К средствам защиты от грозовых разрядов электричества относят:

• стержневые приемники молний;
• грозозащитные тросы;
• сетчатые молниеприемники;
• токоотводы;
• контуры заземления строительных объектов.

Варианты исполнения молниезащиты бывают двух видов:

• Внешний, защищающий от прямого воздействия высокопотенциального электрического разряда, способного вызвать разрушения, взрывы и пожары, за счет его отвода в землю для рассеивания энергии.
• Внутренний. Для защиты от вторичных факторов прямого или близкого к защищаемому объекту удара молнии. Для этого используют различные типы специальных приборов, называемых УЗИП – устройствами защиты от импульсных перенапряжений.

Молниезащита здания

Установка молниезащиты, испытание молниезащиты по окончании монтажных работ производится организациями, выполняющими электротехнические работы.

Эксплуатация молниезащиты не требует дополнительных затрат, рассчитана на длительный период. Но, осмотр молниезащиты на предмет обнаружения механических повреждений приемников разряда, токоотводящих, заземляющих элементов, связей между ними все же обязателен.

Проверка молниезащиты позволяет собственникам объектов, руководству предприятий, организаций быть уверенными, что она не подведет в опасный грозовой период.