СН РК 2.04-29-2005

Инструкция по устройству молниезащиты зданий и сооружений

Опубликован: «Строительный вестник Казахстана» от 25 июля 2005 года № 27(44), от 16 августа 2005 года № 29 (46)

1. Область применения

Требования настоящих норм обязательны для выполнения всеми министерствами, ведомствами, организациями, акционерными обществами и частными фирмами, осуществляющими проектирование, строительно-монтажные работы и эксплуатацию объектов, а также для органов государственного надзора и экспертизы.

Нормы устанавливают необходимый комплекс мероприятий и устройств, предназначенных для обеспечения внешней и внутренней молниезащиты и предохранения от взрывов, пожаров и разрушений строений (зданий, сооружений, оборудования и материалов) и открытых мест (спортивных и туристических площадок, открытых складов) и обеспечения безопасности людей и животных при воздействиях молнии.

Инструкция не распространяется на проектирование и установку молниезащиты линий электропередач, электрической части электростанций и подстанций, контактных сетей, радио- и телевизионных антенн, телеграфных, телефонных, и радиотрансляционных линий. Настоящая инструкция не исключает использования дополнительных средств молниезащиты внутри зданий и сооружений в соответствии со спецификой применяемого оборудования, устройств и приборов.

Молниезащита, разработанная и установленная в соответствии с настоящими нормами, не может обеспечить абсолютную защиту строений, людей или объектов, но значительно сократит риск, связанный с разрушением молнией строений, защищенных в соответствии с настоящими нормами.

С введением в действие настоящих норм утрачивает силу РД 34.21.122-87 «Инструкция по устройству молниезащиты зданий и сооружений».

2. Нормативные ссылки

При разработке настоящих норм были использованы следующие нормативные документы:

СНиП 2.01.07-85* «Нагрузки и воздействия»

Правила устройства электроустановок (ПУЭ), 2004 г.

NFC 17-100. Национальный стандарт Франции. «Система молниезащиты. Защита объектов/конструкций от грозового разряда»

NFC 17-102. Национальный стандарт Франции. «Система молниезащиты. Защита структур и открытых площадей от молнии с использованием ранней стримерной эмиссии (РСЭ) молниеприёмников». NFC

IEC 61024-1-1. Международный стандарт. «Защита конструкций от молний. Часть 1: Общие принципы. Раздел 1: Руководство А - Выбор уровней защиты для систем защиты от молний (СЭМ)»

IEC 61024-1-2. Международный стандарт. «Защита конструкций от молний. Часть 2: Общие принципы. Руководство В - Дизайн, установка, содержание и техническое обслуживание, проверка СЭМ»

3. Термины и определения

Прямой удар молнии (поражение молнией) - непосредственный контакт канала молнии с зданием или сооружением, сопровождающийся протеканием через него тока молнии (РД 34.21.122-87 «Инструкция по устройству молниезащиты зданий и сооружений»).

Вторичное проявление молнии - наведение потенциалов на металлических элементах конструкции, оборудования, в незамкнутых металлических контурах, вызванное близкими разрядами молнии и создающее опасность искрения внутри защищаемого объекта (РД 34.21.122-87 «Инструкция по устройству молниезащиты зданий и сооружений»).

Занос высокого потенциала - перенесение в защищаемое здание или сооружение по протяженным металлическим коммуникациям (подземным, наземным и надземным трубопроводам, кабелям и т.п.) электрических потенциалов, возникающих при прямых и близких ударах молнии и создающих опасность искрения внутри защищаемого объекта (РД 34.21.122-87 «Инструкция по устройству молниезащиты зданий и сооружений»).

Активные системы молниезащиты - системы, использующие ранний примерный эмиттер

(IEC 61024-1-1. Международный стандарт. «Защита конструкций от молний. Часть 1: Общие принципы. Раздел 1: Руководство А - Выбор уровней защиты для систем защиты от молний (СЗМ)»

Ранний стримерный эмиттер является молниеприёмником (молниевым стержнем), который оснащён устройством или сформирован таким образом, что предположительно создаёт верхний размножающийся стример быстрее, чем стандартный (пассивный) молниеприёмник.

(NFC 17-102. Национальный стандарт Франции. «Система молниезащиты. Защита структур и открытых площадей от молнии с использованием ранней стримерной эмиссии (РСЭ) молниеприёмников»)

Стример и лидер - стример находится на кончике лидера и является холодным разрядом, который образует основу для последующего горячего (лидерного) разряда. Также, существует промежуточное состояние, где стример превращается из холодного в полугорячий и далее в полностью горячий лидер, размножающийся внутри окружающего поля достаточной напряжённости.

(NFC 17-102. Национальный стандарт Франции. «Система молниезащиты. Защита структур и открытых площадей от молнии с использованием ранней стримерной эмиссии (РСЭ) молниеприёмников»)

Молниеприёмник - устройство, воспринимающее удар молнии

(IEC 61024-1-1. Международный стандарт. «Защита конструкций от молний. Часть 1: Общие принципы. Раздел 1: Руководство А - Выбор уровней защиты для систем защиты от молний (СЗМ)

Молниеотвод - устройство, отводящее ток молнии в землю

(IEC 61024-1-1. Международный стандарт. «Защита конструкций от молний. Часть 1: Общие принципы. Раздел 1: Руководство А - Выбор уровней защиты для систем защиты от молний (СЭМ)»

Уровень защиты - Классификация системы молниевой защиты, которая выражает её эффективность.

(IEC 61024-1-1. Международный стандарт. «Защита конструкций от молний. Часть 1: Общие принципы. Раздел 1: Руководство А - Выбор уровней защиты для систем защиты от молний (СЭМ)»

Зона защиты молниеотвода - пространство, внутри которого здание или сооружение защищено от прямых ударов молнии с надежностью не ниже определенного значения (РД 34.21.122-87 «Инструкция по устройству молниезащиты зданий и сооружений»).

Отдельно стоящие молниеотводы - это те, опоры которых установлены на земле на некотором удалении от защищаемого объекта (РД 34.21.122-87 «Инструкция по устройству молниезащиты зданий и сооружений»).

Заземлитель молниезащиты - один или несколько заглубленных в землю проводников, предназначенных для отвода в землю токов молнии или ограничения перенапряжений, возникающих на металлических корпусах, оборудовании, коммуникациях при близких разрядах молнии. Заземлители делятся на естественные и искусственные (РД 34.2 1.122-87 «Инструкция по устройству молниезащиты зданий и сооружений»).

Естественные заземлители - заглубленные в землю металлические и железобетонные конструкции зданий и сооружений (РД 34.21.122-87 «Инструкция по устройству молниезащиты зданий и сооружений»).

Искусственные заземлители - специально проложенные в земле контуры из полосовой или круглой стали; сосредоточенные конструкции, состоящие из вертикальных и горизонтальных проводников (РД 34.21.122-87 «Инструкция по устройству молниезащиты зданий и сооружений»).

Таблица 1 - Классификация зданий и сооружений по устройству молниезащиты

4 Молния. Общие положения

4.1 Природа и поведение молнии

В образовании молний одну из ключевых ролей играют высокоэнергетические заряженные частицы космических лучей, которые производят колонную ионизацию воздуха. При наличии в грозовом облаке достаточно сильного электрического поля ~ 3 кВ/см в ионизованных следах этих частиц происходит электрический пробой воздуха и следы становятся электропроводящими. Через систему следов, обладающую минимальным сопротивлением, проходит лидер, или предзаряд молнии. За ним немедленно следует возвратный удар - основной молниевый разряд, который переносит отрицательный, реже положительный, заряд из облака на землю или с поверхности земли в облако.

Молния обладает мощным поражающим фактором, в результате которого разрушаются здания и гибнут люди и животные.

Характеристики молнии включают уровни токов, достигающих 400 кА с 50% средним значением около 25 кА, температуры до 15000°С и напряжений в сотни миллионов вольт. Около 10 внутриоблачных молний приходится на одну молнию между облаком и землёй. Глобально, около 2000 происходящих гроз вызывают около 50-100 разрядов на землю каждую секунду. Молния - это явление, которое поддерживает электрический баланс земли. По современным представлениям процесс развития молнии между облаком и землёй является процессом развития канала плазмы нисходящего лидера (стрелы), продвигающегося ступенями от грозового облака к земле. Расположенные на земле наружные терминалы как изгороди, деревья, трава, углы зданий, люди, громоотводы, столбы электропередач и т.д. вызывают разную степень индукционной электрической активности. При напряжении электрического пробоя на этих терминалах могут формироваться восходящие стримеры. При усиливающемся электрическом поле некоторые нисходящие лидеры придут в контакт с восходящими стримерами. В результате этого контакта происходит молниевый разряд на землю, обычно с серией последующих возвратных ударов.

Абсолютная защита от молнии может существовать только в полностью замкнутой и толстостенной клетке Фарадея и то только гипотегически, да и к тому же такое решение в большинстве случаев непрактично.

Предотвратить возникновение молнии в настоящее время не представляется возможным.

Около 40 % молний на землю раздваиваются, то есть имеют два или более каналов на землю одновременно. Радиальные горизонтальные дуговые разряды длинной более 20 метров от базовой точки контакта молнии с землёй увеличивают размеры зоны повреждения.

Когда молния поражает объект или сооружение, ток возвратного удара разветвляется между всеми параллельными цепями, существующими между точкой контакта и землёй. Разделение тока происходит обратно пропорционально импедансу соответствующей цепи Z:

Z = (R²+(X_C - X_L)²)¹/₂ (1)

где R - активное сопротивление цепи,

X_L - реактивное (индуктивное) сопротивление цепи,

Х_С - реактивное (емкостное) сопротивление цепи,

поэтому в этой части они не рассматриваются. Механические эффекты тесно связаны с термическими и электродинамическими. Остальные эффекты не имеют существенного влияния на конструкцию зданий и сооружений.

Далее в оригинале текст отсутствует

4.3.1 Термические (плавление, нагрев, возгорание, искрение)

Эти эффекты наблюдаются в устройствах молниевой защиты, особенно если молниеприемники имеют острые концы, на которых иногда наблюдается плавление максимум на несколько миллиметров. В случае плоских поверхностей (металлические листы) свидетельство плавления обнаруживается, что может явиться результатом полного пробоя.

Удар молнии может пробить металлический лист толщиной 2-3 мм. Это определяет минимальную требуемую толщину при использовании металлических листов или молниевого коллектора толщиной 4мм для железа или 5 мм для меди.

Разряды низкой интенсивности с большим периодом могут служить причиной возгорания. Поскольку молниевые разряды обычно сопровождаются током удара молнии, удары молнии бывают редко холодными. Даже сухое дерево может загореться от молнии с длительным воздействием тока.

Плохие контакты являются особо опасными точками на пути протекания тока молнии. Значения сопротивления контактов нескольких тысячных Ома уже генерируют достаточное количество теплоты для плавления металла и искрения. Если возгораемый материал располагается вблизи таких плохих контактов, может возникнуть непрямое возгорание. Этот вид искрения особенно опасен в помещениях, подверженных риску взрывов, и на заводах, выпускающих взрывчатые вещества.

При попадании тока молнии в металлический проводник, по которому он может распространяться, выделяется количество теплоты, Q, согласно закону Джоуля - Ленца:

Q=I² • R • t (2)

где I - ток, протекающий по проводнику,

R - сопротивление проводника,

t - время прохождения тока через проводник.

Поэтому значительный термический эффект проявляется в точках с высоким сопротивлением.

Прямое сопротивление току, измеренное на проводнике, не должно, однако, приниматься как значение сопротивления R. Токи молнии - это короткие удары волн, которые распространяются в приповерхностном слое, как и в случае токов высокой частоты, толщиной несколько десятых миллиметра, поэтому фактическое сопротивление будет несколько меньше измеренного R.

Видимых последствий такого нагревания нет, несмотря на поверхностный эффект (малое сопротивление, большой ток), если размеры проводника довольно велики (большое сопротивление, малый ток). Температура проводника поднимается до температуры плавления только в проводниках небольших размеров с высоким сопротивлением. Эффект плавления часто наблюдается, например, в антенных кабелях и проводах. С другой стороны, случаи плавления редко наблюдаются на проводах с большими размерами с малым поперечным сечением (такие, как колючая проволока).

Поэтому вода, заключённая в дереве, бетоне и аналогичных материалах нагревается и испаряется ввиду высокого сопротивления полости, в которой она находится. В целом, явление продолжается очень короткое время, и как следствие возникающего подъёма давления разрывает деревья, деревянные мачты, балки и стены и другие предметы. Эффект взрыва такого рода, в частности, происходит в местах скопления влаги (щели, сосуды) или в местах резкого увеличения плотности тока, то есть в точках входа или выхода тока между материалами, имеющими низкую проводимость (например, цемент) и материалами, имеющими высокую проводимость (присоединённые зажимы молниеотводов, хомуты проводников, стальные крепления водяных и газовых труб), то есть в тех местах, где происходит накопление зарядов.

Обилие трасс искрения наблюдалось после мощного удара молнии иногда даже в зданиях, имеющих системы молниезащиты, что может быть объяснено 2 эффектами:

а) возрастанием потенциала заземления U:

U = I • R (3)

где U - разность потенциалов между молниеотводом и отдалённым нетронутым грунтом с нулевым потенциалом,

R - суммарное сопротивление заземлителей и грунта,

I - дренируемый ток, проходящий через это сопротивление.

Как видно из (3) потенциал заземления пропорционален амплитуде дренируемого тока.

б) наличием явления индукции:

U_L = L • di/dt (4)

где U_L - разность потенциалов на индуктивном элементе цепи,

L - его индуктивность,

i - переменный ток, проходящий через этот элемент.

Чем быстрее меняется ток, тем большая по абсолютной величине разность потенциалов возникает на индуктивном элементе.

В диэлектрических материалах, где также наблюдается искрение

i_С = C • dU/dt (5)

где i_С ~ ток, проходящий через емкостной элемент цепи,

С - его ёмкость,

U - переменная разность потенциалов на этом элементе.

Чем быстрее меняется разность потенциалов, тем больший ток будет проходить через емкостной элемент.

4.3.2 Электродинамические (возникновение индукционного тока)

Значительные механические нагрузки могут возникнуть только в том случае, если секции пути тока молнии проложены одна по отношению к другой таким образом, что одна из них размещена в магнитном поле, генерируемом другой. В этом случае увеличение нагрузки обратно пропорционально расстоянию между этими секциями, причём сила F, действующая со стороны одного параллельного проводника с током 12 на другой проводник с током 12 определяется из формулы:

F = µ_a • I₁ • I₂ x I/(2πr) (6)

где µ_a - абсолютная магнитная проницаемость вещества, находящегося между проводниками,

µ_a = µ_о • µ (7)

где µ_о = 1,257 • 10^-6 Гн/м - магнитная постоянная

µ - относительная магнитная проницаемость вещества, находящегося между проводниками, для воздуха µ=1

I - длина первого или второго проводника,

r - расстояние между проводниками.

Если токи в проводниках текут в одном направлении, то сила взаимодействия между ними есть сила притяжения, а если - в противоположных, то это сила есть сила отталкивания. Таким образом, вышеуказанные силы могут при определённых условиях деформировать проводники.

4.4 Параметры токов молнии

Параметры токов молнии необходимы для расчета механических и термических воздействий, а также для нормирования средств защиты от электромагнитных воздействий.

4.4.1 Классификация воздействий токов молнии

Для каждого уровня молниезащиты должны быть определены предельно допустимые параметры тока молнии. Данные, приведенные в нормативе, относятся к нисходящим и восходящим молниям.

Соотношение полярностей разрядов молнии зависит от географического положения местности. В отсутствие местных данных принимают это соотношение равным 10% для разрядов с положительными токами и 90% для разрядов с отрицательными токами.

Механические и термические действия молнии обусловлены пиковым значением тока I, полным зарядом Qполн, зарядом в импульсе Qимп и удельной энергией W/R. Наибольшие значения этих параметров наблюдаются при положительных разрядах. Повреждения, вызванные индуцированными перенапряжениями, обусловлены крутизной фронта тока молнии. Крутизна оценивается в пределах 30%-ного и 90%-ного уровней от наибольшего значения тока. Наибольшее значение этого параметра наблюдается в последующих импульсах отрицательных разрядов.

4.4.2 Параметры токов молнии, предлагаемые для нормирования средств защиты от прямых ударов молнии

Значения расчетных параметров для принятых в таблице 1 уровней защищенности (при соотношении 10% к 90% между долями положительных и отрицательных разрядов) приведены в таблице 2.

Таблица 2 - Соответствие параметров тока молнии и уровней защиты

4.4.3 Плотность ударов молнии в землю

Плотность ударов молнии в землю, выраженная через число поражений 1 кв. км земной поверхности за год, определяется по данным метеорологических наблюдений в месте размещения объекта.

Если же плотность ударов молнии в землю N_g неизвестна, ее можно рассчитать по следующей формуле, 1/(кв. км х год):

N_g = 6,7 х T_d / 100, (8)

где T_d - средняя продолжительность гроз в часах, определенная по региональным картам интенсивности грозовой деятельности.

4.4.4 Параметры токов молнии, предлагаемые для нормирования средств защиты от электромагнитных воздействий молнии

Кроме механических и термических воздействий ток молнии создает мощные импульсы электромагнитного излучения, которые могут быть причиной повреждения систем, включающих оборудование связи, управления, автоматики, вычислительные и информационные устройства и т.п. Эти сложные и дорогостоящие системы используются во многих отраслях производства и бизнеса. Их повреждение в результате удара молнии крайне нежелательно по соображениям безопасности, а также по экономическим соображениям. Удар молнии может содержать либо единственный импульс тока, либо состоять из последовательности импульсов, разделенных промежутками времени, за которые протекает слабый сопровождающий ток. Параметры импульса тока первого компонента существенно отличаются от характеристик импульсов последующих компонентов. Ниже приводятся данные, характеризующие расчетные параметры импульсов тока первого и последующих импульсов (табл. 3 и 4), а также длительного тока (табл.5) в паузах между импульсами для обычных объектов при различных уровнях защиты.

Таблица 3 - Параметры первого импульса тока молнии

<*>Поскольку значительная часть общего заряда Qcyм приходится на первый импульс, полагается, что общий заряд всех коротких импульсов равен приведенной величине.

<**>Поскольку значительная часть общей удельной энергии W/R приходится на первый импульс, полагается, что общий заряд всех коротких импульсов равен приведенной величине.

Таблица 4 - Параметры последующего импульса тока молнии

<*>Qдл - заряд, обусловленный длительным протеканием тока в период между двумя импульсами тока молнии.

Таблица 5 - Параметры длительного тока молнии в промежутке между импульсами

Средний ток приблизительно равен Qдл/Т

Форма импульсов тока определяется следующим выражением:

10 10

i(t) = [l(t / тау 1) х exp(-t/тay2)] / h x [1 + (t / тау1)] , (9)

где I - максимум тока;

н - коэффициент, корректирующий значение максимума тока;

t - время;

тау1 - постоянная времени для фронта;

тау2 - постоянная времени для спада.

Значения параметров, входящих в формулу (9), описывающую изменение тока молнии во времени, приведены в таблице 6.

Таблица 6 - Значения параметров для расчета формы импульса тока молнии

Длительный импульс может быть принят прямоугольным со средним током I и длительностью Т, соответствующими данным таблицы 5.

4.5 Меры, принимаемые для защиты от молнии

Эти меры включают в себя последовательность действий по защите зданий, сооружений и персонала от попаданий молнии.

4.5.1 Захват прямого удара молнии в предпочтительной точке на сконструированных для этих целей молниеприёмниках

В основном, наиболее уязвимая точка для прямого удара расположена на самой высокой точке или угле здания, где некоторая интенсификация электрического поля будет иметь место при грозе. Спутниковые или микроволновые тарелки и коммуникационные антенные системы и их контрольное оборудование уязвимы к прямым ударам.

К правильно установленному молниеприёмнику, сконструированному для этих целей, на вершине сооружения прямые удары молнии могут притягиваться в предпочтительную точку, которая находится вдали от антенн и кабелей для минимизации риска повреждения оборудования от прямой силы и энергии молниевого разряда.

4.5.2 Отвод тока молнии в землю через сконструированную для этих целей молниеотводную систему для минимизации опасностей сторонней вспышки.

Когда молния перехвачена в предпочтительной точке, необходимо направить ток разряда по безопасному пути к земле и минимизировать прохождение молниевых токов на вспомогательных проводниках, таких как коаксиальные кабели питания, так как они могут нести опасную молниевую энергию прямо к стеллажам с оборудованием.

Для этого необходимо экранировать кабель молниеотвода, чтобы уменьшить риск сторонней вспышки и задержать разряд на центральной жиле кабеля проводника во время удара. В ситуации, связанной с радио, этот молниеотвод, сконструированный для этих целей, имеет способность уменьшить риски, связанные с передающими токами, входящими в помещения с оборудованием через радиочастотные фидерные кабели.

4.5.3 Рассеяние энергии в землю с минимальным увеличением потенциала заземления через систему заземления с низким импедансом.

4.5.4 Исключение петель заземления и различий путём создания эквипотенциальной заземляющей плоскости при ударе молнии.

Когда энергия подведена к уровню земли, то земля с низким импедансом является существенным фактором для рассеивания энергии молнии в массе земли с такой эффективностью, с какой это возможно. Системы заземления для предназначенных терминалов молниезащиты, башенных опор и помещений с электронным оборудованием или центров управления являются критическими элементами конструкций.

Атрибуты идеального устройства заземления должны быть следующими:

• Каждая система заземления (молниевая, электрическая, коммуникационная и для помещения с оборудованием) должна быть индивидуальна с высокой степенью интеграции так же, как и рассматриваемый компонент общей сети заземления. Там, где существует отдельная система заземления, должна существовать связь между ними, особенно при кратковременных воздействиях.

• Так как молния является высокочастотным явлением, то она обладает высокочастотным импедансом, который является критическим элементом конструкции.

• Кольцо заземления должно окружать помещения с чувствительным электронным оборудованием, промышленные заводы и телекоммуникационное оборудование. Оно будет уменьшать риск градиентов потенциалов на оборудовании.

• Заземление молниезащиты должно быть напрямую связано с кольцом заземления оборудования.

• Должно существовать одно точечное соединение для подключения к сети заземления от всего оборудования в пределах данных устройств.

• Использование «вороньего когтя» в методе радиального заземления для заземления молниезащиты позволяет энергии молнии разделяться по каждому проводнику. Это может снизить импеданс и означать, что градиенты напряжения, исходящие из точки ввода будут ниже и будет уменьшена опасность «шаговых потенциалов», влияющих на оборудование или на людей.

• Стержнями заземления из электролитически покрытой медью стали, гальванизированной стали или из нержавеющей стали снабжают высокоэффективные анкерные точки заземления и электроды для большинства стандартных применений. Твёрдые пластины для заземления, стальные решётки, коврики безопасности, сетки (ячейки) заземления, терминалы, сконструированные потребителем, оплётки и мостики используются в приложениях к заземлителям и соединителям в окружении больших напряжений и токов, вблизи промышленных печей или вокруг электрических подстанций.

• Могут быть использованы специальные соединения для уменьшения импедансов заземления в местах, где удельное сопротивление заземления значительно, как в скалистых, песчаных или горных областях с большими размерами частиц грунта. Импедансы земли могут быть уменьшены более чем на 50%, когда используются улучшенный заземляющий материал или улучшенные заземляющие соединения для образования проводящих масс или нерастворимых гелей вокруг стержней заземления и лент. Проявившие себя невыщелоченные смеси, которые не загрязняют грунтовые воды или окружающие почвы путем высвобождения проводящих ионов (солей), являются приемлемыми для того, чтобы удовлетворить стандартам окружающей обстановки.

• Использование предварительно изготовленной сети заземления с низкоимпедансной сигнальной эталонной сеткой внутри специального укрытия настоятельно рекомендуется для создания эквипотенциальной плоскости для цифровых сигнальных установок низкого напряжения и высокой частоты. Типичные примеры таких применений включают мощный компьютер, оборудование для телеметрии и телекоммуникаций. Так как цифровые сигнальные напряжения в линиях очень низкие, то их чувствительность к кратковременному шуму очень высокая: 1 В для некоторых цифровых систем является типичным. Сигнальная эталонная сетка должна обеспечить связь между внутренними соединениями компьютера, рубильника, оборудованием подачи питания и его передачи для обеспечения эквипотенциальной «земли» на частотах от постоянного тока до частоты более 30 МГц. Все соединения этой сетки должны быть сварными, так как даже моментальное ослабление или разъединение механического соединения может создать напряжения значительного шума, которые могут внести ложные данные или разрушить цепи.

4.5.5 Защита оборудования от перенапряжений и избыточных токов в линиях питания

Даже, если структура снабжена интегрированной системой защиты от прямого удара, остаётся риск, что перенапряжения и избыточные токи могут пройти по внешним кабелям. Высокоэнергетические переходы перенапряжений могут возникнуть из-за емкостной и индуктивной связи с ближайшими ударами молнии в дополнение к отключениям энергии и её нерегулярному распределению. Значительное подавление и фильтрация энергетических переходов в точке ввода линий питания в оборудование является существенным фактором для минимизации риска физического повреждения оборудования потери работоспособности и экономичности.

Простые ответвители перенапряжений, установленные на распределительном щитке, не могут обеспечить адекватную защиту. Для того чтобы защитить чувствительное оборудование, необходимо ограничить остаточные напряжения в пределах уровня невосприимчивости внутреннего оборудования. Для оборудования, работающего в 230 В системе, повреждение компонентов может явиться результатом переходов с пиковыми величинами ниже 700 В. Множество производителей аккумуляторных батарей и выпрямителей дают пиковый допуск ниже 800 В.

Пока некоторые шунтирующие устройства могут захватывать напряжения ниже рекомендуемых, они мало что вносят для ограничения быстрого подъёма волнового фронта энергии (dl/dt и dV/dt) перед началом захвата. Скорости подъёма тока могут быть выше 10 кА/мкс (10¹⁰А/с) от первоначального разряда молнии и порядка величины, большей для последующих ударов молнии с множеством ударов. Эти очень большие величины, dl/dt и dV/dt, могут индуцировать деструктивные высокие напряжения на компонентах, приводя к повреждению и разрушению оборудования.

Технологии фильтров низких переходов, следуя первичному шунтирующему ответвителю, будут уменьшать пиковые остаточные напряжения и существенно уменьшать скорость подъёма тока и напряжения при входе в оборудование. Рекомендуется для этих целей использовать фильтры типов SRF и DINLINE (для меньших токовых нагрузок), которые обеспечивают многоступенчатое затухание перенапряжений путём захвата и затем фильтрации переходов или избыточных токов, в линиях питания.

SRF-фильтры, производимые компанией «ERICO Lightning Technologies» марки «Movtec» обеспечивают первичную защиту от избыточных токов. «Movtec» объединяет ряды варисторов на основе окиси цинка с особыми одноразовыми предохранителями. Постоянный мониторинг на 5-сегментной светодиодной панели показывает время жизни прибора. В SRF-фильтрах достаточная фильтрация низких переходов, как и у «Movtec», предназначена для модификации скоростей подъёма тока и напряжения при входе в оборудование.

Высокий уровень защиты с помощью SRF-фильтров означает улучшенную надёжность в работе для электронного и телекоммуникационного оборудования, соединённого с магистралями подачи питания с фильтров перенапряжений.

4.5.6 Защита оборудования от перенапряжений и избыточных токов на коммуникациях и в сигнальных линиях для предотвращения повреждения оборудования и дорогостоящего простоя в работе

Коаксиальные протекторы перенапряжений (КПП) являются важными составляющими для защиты от избыточных токов, спускающихся с вышек прямо в передающее и телеметрическое оборудование через радиофидерные кабели. Хотя целью создания молниеотводов является ограничение громадного большинства токов молний, некоторая индукция в коаксиальных фидерных кабелях будет иметь место при ударах в вышки или в результате магнитной и емкостной связи с компонентами воздушного канала молниевого удара.

КПП основаны на газоразрядных устройствах, помещённых в блоки из хрома, покрытых латунью. Эти устройства в точности сконструированы под импеданс, соответствующий коаксиальному кабелю. Они обеспечивают защиту при типичной мощности в 50 Вт (в аналоговом режиме) и работают на частотах вплоть до 3 ГГц. Обычно КПП должны быть смонтированы прямо в надстройках на земле или навесах при точке ввода фидерных кабелей в оборудование для обеспечения максимальной защиты. Но возможны и другие установки. Защита местности с телефонными и сигнальными (слаботочными) кабелями данных при вводе в оборудование может быть также осуществлена для всесторонней защиты. Избыточные токи вплоть до 20 кА (8x20 мкс) в телекоммуникационных и сигнальных линиях могут повредить и вывести из строя чувствительное оконечное оборудование и привести к потере рабочего времени.

Протекторы телекоммуникационных линий (ПТЛ) созданы для защиты оконечного и внутреннего оборудования от избыточных токов, возникающих в телекоммуникационных линиях.

• Одноступенчатые газоразрядные цепи обеспечивают эффективную, с низкой стоимостью защиту для менее чувствительных терминалов с компонентами электромеханического или дискретного типа и дополнительных цепей со встроенной защитой.

• Многоступенчатые протекторы, работающие сначала на газовом разряде, затем на развязанных полупроводниковых ступенях защиты, могут обеспечить более низкие (сквозные) напряжения захвата, чем одноступенчатые протекторы. Эти приборы подходят для более чувствительного аналогового оборудования и для цифровых цепей, работающих на частотах вплоть до 12 МГц или 8 Мбит/с.

5. Выбор уровней защиты

Тяжесть последствий удара молнии зависит, прежде всего, от взрыво- или пожароопасности здания или сооружения при термических воздействиях молнии. Например, в производствах, постоянно связанных с открытым огнем, процессами горения, применением несгораемых материалов и конструкций 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 выполнение чрезмерные средства, или мириться с неизбежностью значительных ущербов, вызванных молнией. Поэтому принят дифференцированный подход к выполнению молниезащиты различных объектов, при котором здания и сооружения разделены на три уровня, отличающиеся по тяжести возможных последствий поражения молнией.

К I уровню отнесены производственные помещения, в которых в нормальных технологических режимах могут находиться и образовываться взрывоопасные концентрации газов, паров, пыли, волокон. Любое поражение молнией, вызывая взрыв, создает повышенную опасность разрушений и жертв не только для данного объекта, но и для близко расположенных.

Во II уровень 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 Республики Казахстан вероятность совпадения этих событий достаточно мала.

К III уровню 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 уровню 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 уровню 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.

Целью выбора уровня защиты является снижение ниже максимально допустимого уровня риска повреждения от прямого удара молнии в здание или сооружение. Выбор уровня защиты может быть сделан либо по классификации зданий и сооружений, описанной выше, что является приблизительной оценкой, либо по характеристическим параметрам молнии (табл. 7), что более сложно, так как связано с непосредственными измерениями этих параметров, либо по эффективности системы молниезащиты (табл. 8), где статистические параметры молнии сравниваются с расчётными.

Таблица 7 - Теоретическая зависимость между параметрами тока молнии и уровнями защиты

Примечание - Данные в скобках указывают на практические значения, полученные при испытании оборудования.

Таблица 8 - Эффективность систем молниезащиты и соответствующие им уровни защиты

5.1 Методика выбора уровня защиты по эффективности СЗМ

Плотность разрядов молнии для участка земли выражается числом ударов молнии на квадратный километр за год. Если фактических данных о плотности ударов молнии для участка земли (N_g) не имеется, эта плотность может быть оценена с использованием следующей зависимости:

N_g=0,04·T_d^1,25 (10)

где T_d - количество грозовых дней в году, полученное из изокеранических карт для данной области (см. Карту грозовой активности). Эта зависимость меняется с изменением климатических условий.

Для определения грозовой активности в поле объекта предлагается метод постоянного градиента 3 точек: прямыми линиями соединяются 3 ближайшие метеостанции, так чтобы искомый объект попал в данный треугольник, затем из этого объекта проводятся перпендикуляры к сторонам треугольника и определяются 3 соответствующих значения грозовой активности в точках пересечения. Среднее арифметическое этих значений и будет являться искомым значением грозовой активности (количества грозовых дней в году) для данного объекта.

Ожидаемая частота N_d прямого попадания молнии в сооружение за год оценивается при использовании следующего уравнения:

N_d=N_g · A_C · C₁ · 10^-6 , (11)

где А_C - эквивалентная площадь отбора молний для изолированного сооружения в квадратных метрах.

С₁ - коэффициент окружающей среды (табл.9)

Таблица 9 - Относительное размещение структуры С₁

Эквивалентная площадь отбора молний для сооружений определяется как площадь поверхности земли, которая имеет такую же годовую частоту прямых разрядов молнии, что и сооружение. Если эквивалентная площадь отбора молний полностью перекрывает другую структуру, то последняя не учитывается (Приложение А). Если эквивалентные площади отбора нескольких структур частично перекрывают друг друга, то соответствующая общая площадь отбора считается как единая коллективная площадь (Приложение Б).

Примечание - Могут быть использованы другие более сложные методы для оценки эквивалентной площади отбора, дающие большую точность.

Принятая частота прямого попадания молнии N_C в сооружение за год определяется:

N_C=5,5 · 10^-3/С , (12)

где С=С₂ · С₃ · С₄ · С₅ (13)

значения С₂, С₃, С₄, С₅ определяются из таблиц 10, 11, 12, 13.

Таблица 10 - Структуральный коэффициент С₂

Таблица 11 - Содержание структуры

Таблица 12 - Заселённость структуры С₄

Таблица 13 - Последствия удара молнии С₅

Примечание - В отдельных случаях значение N_С можно устанавливать, согласно местных инструкций (постановлений).

Далее допустимая частота молний N_С сравнивается с ожидаемой частотой молнии N_d:

если N_d </- N_С то CЗM систематически не требуется,

если N_d > N_С, то СЗМ необходима и необходимый уровень защиты

определяется по эффективности (табл. 3):

E=1-N_С/N_d (14)

6. Виды молниезащиты

В настоящее время молниезащита разделяется на пассивную (старые системы) и активную (новые системы).

Пассивная молниезащита подразделяется на стержневую (стержни Франклина), тросовую и молниеприемную сетку (клетка Фарадея). Кроме того, к ней относятся всевозможные системы диссипации (рассеиватели зарядов) и системы диэлектрического экранирования. Системы диссипации основаны на множестве маленьких металлических стрелок для создания мощного ионизированного поля, которое непрерывно разряжает электрическое поле, создаваемое грозой. Благодаря этому, молния никогда не достигает поля в области вокруг рассеивателя. Каждая стрелка разряжает небольшое количество разности потенциалов между облаком и землёй. Это действие создаёт непрерывный поток незначительного тока и в результате предотвращает появление удара молнии. Все эти системы пассивной молниезащиты уже давно являются общепризнанными и подробно описаны в соответствующей литературе. Эффективность этих систем довольно низкая в большинстве случаев, а громоздкость и себестоимость высокая.

В настоящей инструкции описаны системы активной молниезащиты, как более новой и эффективной, а так же метод защиты молниеприемной сеткой (клетка Фарадея), так как применение данных систем, целесообразно на протяженных объектах, с низким уровнем защиты (II, III).

Молниеприемная сетка должна быть выполнена из стальной проволоки диаметром не менее 6 мм и уложена на кровлю сверху или под несгораемые или трудносгораемые утеплитель или гидроизоляцию. Шаг ячеек сетки должен быть не более 6x6 м. Узлы сетки должны быть соединены сваркой. Выступающие над крышей металлические элементы (трубы, шахты, вентиляционные устройства) должны быть присоединены к молниеприемной сетке, а выступающие неметаллические элементы оборудованы дополнительными молниеприемниками также присоединенными к молниеприемной сетке.

Установка молниеприемников или наложение молниеприемной сетки не требуется для зданий и сооружений с металлическими фермами при условии, что в их кровлях используются несгораемые или трудносгораемые утеплители и гидроизоляция.

На зданиях и сооружениях с металлической кровлей в качестве молниеприемника может использоваться сама кровля. При этом все выступающие неметаллические элементы должны быть защищены молниеприемниками. При наличии на зданиях и сооружениях прямых газоотводных и дыхательных труб для свободного отвода в атмосферу газов, паров и взвесей взрывоопасной концентрации в зону защиты молниеотводов должно входить пространство над обрезом труб, ограниченное полушарием радиусом 5 м.

Для газоотводных и дыхательных труб, оборудованных колпаками или «гусаками», в зону защиты молниеотводов должно входить пространство над обрезом труб, ограниченное цилиндром высотой Н и радиусом R:

для газов тяжелее воздуха при избыточном давлении внутри установки:

менее 5,05 кПа (0,05 ат) Н = 1 м, R = 2 м;

5,05-25,25 кПа (0,05 - 0,25 ат) Н = 2,5 м, R = 5 м;

для газов легче воздуха при избыточном давлении внутри установки:

до 25,25 кПа Н = 2,5 м, R = 5 м,

свыше 25,25 кПа Н - 5 м, R - 5 м.

Не требуется включать в зону защиты молниеотводов пространство над обрезом труб: при выбросе газов невзрывоопасной концентрации; наличии азотного дыхания; при постоянно горящих факелах и факелах, поджигаемых в момент выброса газов; для вытяжных вентиляционных шахт, предохранительных и аварийных клапанов, выброс газов взрывоопасной концентрации из которых осуществляется только в аварийных случаях.

Системы активной молниезащиты, основаны на принципах ранней стримерной эмиссии (РСЭ) и радиоактивного излучения.

Ранний стримерный эмиттер является молниеприёмником (молниевым стержнем), который оснащён устройством или сформирован таким образом, что предположительно создаёт верхний размножающийся стример быстрее, чем стандартный (пассивный) молниеприёмник. Этот стример соединяется с нижним размножающимся лидером молниевого удара.

Чтобы не возникало путаницы между понятиями «стример» и «лидер», необходимо дать разъяснение: стример находится на кончике лидера и является холодным разрядом, который образует основу для последующего горячего (лидерного) разряда. Также существует промежуточное состояние, где стример превращается из холодного в полугорячий и далее в полностью горячий лидер, размножающийся внутри окружающего поля достаточной напряжённости.

Из измерений поля следует, что точки с избыточной интенсификацией поля будут создавать стримеры, которые не могут превращаться в лидеры благодаря недостаточной напряжённости электрического поля впереди них. Следовательно, если там должен находиться ранний стример, то он должен иметь задержку, чтобы быть самым ранним, испущенным после того, как только условия преобразования стримера в лидер вступят в силу, поэтому раннюю примерную эмиссию иногда называют управляемой стримерной эмиссией.

В настоящее время существуют несколько различных типов ранних стримерных эмиттеров. Требуется, чтобы каждый тип имел свой радиус защиты, установленный производителем. Самым ранним и наиболее часто используемые ранние примерные эмиттеры являются радиоактивными РСЭ терминалами. Нерадиоактивные РСЭ терминалы включают в себя искровые РСЭ терминалы со специальными формами и терминалы РСЭ импульсного напряжения. Каждый тип сконструирован для замены ряда общепринятых (пассивных) систем молниеприемников Франклина на меньшее число, систем РСЭ. Эти системы будут способны защитить большую площадь с количеством молниеприемников.

Наиболее распространёнными системами РСЭ

Далее в оригинале текст отсутствует

6.1 Радиоактивная система РСЭ

Эта система является молниеприёмником, оснащённым источником, расположенным вблизи вершины терминала (молниеприёмника). Используемые радиоактивные материалы являются слабыми эмиттерами α-частиц с относительно долгими временами жизни. Эти молниеприёмники предположительно ионизируют непрерывно молекулы воздуха в ближайшей окрестности молниеприёмника в присутствии или в отсутствии грозы.

Их принцип работы сводится к следующему: радиоактивный изотоп ударяет атом, который испускает электрон, оставляя положительный ион (анион). Эти анионы вверх к облаку, вызывая цепную реакцию, которая путём столкновений количество ионов, восходящих от источника.

6.1.1 Использование радиоактивной системы РСЭ

Данный способ молниезащиты применим, при согласовании с территориальными органами санитарно-эпидемиологического надзора.

6.2 Нерадиоактивные терминалы

6.2.1 Специальные формы и искровые системы РСЭ

Эти системы сконструированы для того, чтобы иметь увеличенный радиус защиты благодаря специфической форме терминала или молниеприемников, которые выстреливают искры, когда молниеприёмник находится под влиянием сильного электрического поля. Эти искры вызывают усиленную ионизацию на кончике.

Любые системы активной молниезащиты должны иметь сертификат соответствия использования на территории Республики Казахстан.

Эти устройства работают как конденсатор, собирая заряд при увеличении электрического поля. Когда лидер приближается к площадке, электрическое поле значительно возрастает, что вызывает искрение в устройстве, создаётся корона и инициируется коллективный стример.

Преимущества такого типа устройств:

• Широкий выбор радиусов защиты

• Улучшенная максимальная эффективность

• Общая автономия

• Надежность и выносливость

• Нерадиоактивная технология

6.2.2 Системы РСЭ импульсного напряжения

Молниеприёмники этих систем содержат дополнительные питаемые устройства, которые вырабатывают импульсы напряжения. Эти импульсы создают положительные ионы вокруг молниеприёмника. Частота импульсов определяет образования пространственного заряда (короны) вокруг молниеприёмника. Эти имеют заострённый стержень, зафиксированный в шахте, содержащей трансформатор и электронный модуль, который обнаруживает увеличение напряжённости поля. Эти устройства обычно запитываются от батарей и фотоэлементов. Производимая корона снабжает канал положительными ионами перед испусканием стримера. Эти системы редко используются ввиду их сложности, хотя, как показали лабораторные испытания, они производят стример на 10-50 мкс раньше, чем молниеприёмник Франклина.

Недавние экспериментальные данные показали, что скорость нижнего лидера примерно равна скорости верхнего лидера для систем РСЭ.

В данной инструкции предлагается использовать систему РСЭ, основанную на пьезоэлектрическом эффекте, как наиболее эффективную, недорогую, с предпочтительным захватом молнии и с большой зоной защиты, с преобразованием энергии ветра в электрическую энергию.

6.2.3 Система РСЭ, основанная на пьезоэлектрическом эффекте

6.2.3.1 Принцип работы

Стержень, типичный молниеотвод, соединённый с землёй, эффективно работает, изменяя эквипотенциалы, которые соответствуют структуре здания, которое он защищает.

Появление молнии является важным фактором в увеличении местного электрического поля. Принцип пьезоэлектрического молниеотвода основан на нескольких факторах: увеличении местного электрического поля и раннем создании предпочтительного канала разряда.

6.2.3.2 Пьезоэлектрическое возбуждение

Основной принцип работы молниеотвода - увеличить число свободных зарядов (ионизованных частиц и электронов) в воздухе, окружающем молниеотвод, и создать в электрическом поле «облако-земля» канал с относительно высокой проводимостью, содержащий предпочтительную дорожку для молнии.

Свободные заряды создаются коронным эффектом с применением точек ионизации молниеотвода, приложенного напряжения, элементами пьезоэлектрической керамики (свинцово-циркониевым титанитом); их особенность заключается в выработке очень высокого напряжения простым изменением приложенного давления. Молниеотвод, следовательно, оснащён механическим устройством, которое преобразует воздействие ветра на молниеотвод в давление на пьезоэлектрические элементы.

Созданное напряжение, следовательно, прикладывается через высоковольтный кабель, который проходит внутри опорного столба молниеотвода к точкам ионизации для создания свободных зарядов коронным эффектом. Затем эти заряды выбрасываются с помощью специальной аэродинамической формы молниеприёмника от головы молниеотвода вверх (усиленная циркуляция воздуха). Когда они находятся за пределами головы, эти заряды подчиняются электрическому полю «облако-земля». Поляризованные заряды отталкиваются облаком к земле, канал зарядов, который образуется в продолжении молниеотвода, затем объединяется с зарядами от противоположного столба электрического поля облака (столб разрядов может быть как положительно заряженным, так и отрицательно).

6.2.3.3 Уменьшение времени возбуждения коронного эффекта

Любое искусственное увеличение плотности ионов воздуха, окружающего электрод, благоприятствует снижению потенциала пробоя.

Следовательно, благоприятствует:

• увеличению локального электрического поля

• присутствию электрона - зародыша в точке захвата (электрон, который редко появляется в атмосфере и необходим для процесса возбуждения)

• созданию восходящего ионизационного воздушного канала в продолжении молниеотвода, что приводит к сокращению задержки возбуждения и к благоприятному влиянию начальных условий запуска коронного эффекта.

6.2.3.4 Предпочтительный захват

Способность продвигать возбуждение при более низких величинах электростатического поля (следовательно, ранее) увеличивает вероятность захвата молнии. Эта способность даёт молнии более высокую эффективность в роли предпочтительных точек захвата, сравнимых с любой другой точкой защищаемого здания.

Следовательно, эти молниеотводы предлагают высокие гарантии во время разрядов с низкой интенсивностью (от 2 до 5 кА) по сравнению с простыми стержневыми молниеотводами, которые могут только перехватывать их на коротких дистанциях:

D = 10 · I^2/3 (15)

где D - дистанция удара молнии, в кА

I - максимальный импульсный ток первого удара, в кА

Области применения этих систем довольно широки и включают в себя:

• промышленность (очистные сооружения, насосные станции)

• телекоммуникации (реле, антенны)

• открытые установки (стадионы, корты для гольфа, парки для развлечений)

• здания (склады, церкви, памятники)

Эти системы могут быть оснащены разрядными счётчиками

7. Методы конструирования систем молниезащиты

Фундаментальным аспектом является метод конструирования молниезащиты, используемый для идентификации наиболее подходящих мест для молниеприёмников, основанный на области защиты, предоставляемой каждым терминалом. Наиболее известными методами являются методы конуса защиты, клетки Фарадея и катящейся сферы.

Метод конуса защиты редко применяется и является неколичественным физическим методом. В основном, он используется для пассивных систем молниезащиты.

Метод клетки Фарадея также используется для пассивных систем молниезащиты, и нет никакой гарантии, что металлические полосы, используемые в этом методе, подвергнутся удару молнии в предпочтение какой-либо другой близлежащей точке.

Диэлектрические свойства конструкционных материалов таковы, что вспышка молнии может перейти на близлежащий элемент структурированной стали с непредсказуемыми последствиями. Кроме того, защита таких объектов, как телекоммуникационные тарелки, является фактически невозможной.

Метод катящейся сферы бы сомнения является наиболее распространённым в мировых стандартах. Он основан на электрогеометрической модели (ЭГМ). ЭГМ связывает дистанцию удара с будущим пиковым ударным током (15). Чтобы применить этот метод, необходимо представить себе сферу, катящуюся вдоль структуры. Все контактирующие точки поверхности, предполагается, требуют защиты, пока существуют незащищённые объёмы (Приложение А).

В случае простого штыря (Приложение Б) в соответствии с электрогеометрической моделью, точка удара молнии определяется наземным объектом, который размещается первым на дистанции D от лидера направленного вниз, даже если этот объект плоский (грунтовый). Поэтому можно рассматривать воздействие молнии, как если бы фиктивная сфера радиусом D с головой лидера, направленного вниз, была проведена и строго двигалась вдоль защищаемого сооружения (16).

Рассматривая простой штырь, высотой «h», по отношению к плоской поверхности (крыша здания, поверхность земли и т.д.), имеется возможность трёх точек удара молнии.

Рис. 1 - Метод катящейся сферы

- Если сфера касается только вертикального штыря «А», то вертикальный штырь будет точкой удара.

- Если сфера касается плоской поверхности и не касается вертикального штыря, точка удара будет только на поверхности S земли.

- Если сфера касается и простого вертикального штыря и справочной поверхности одновременно, то имеется возможность двух точек удара: «А» и «С», но молниевый разряд никогда не ударит в закрытую площадь.

Рис. 2 - Пассивный стержень

Будем считать, что пассивный стержень не инициирует верхний лидер, тогда

R_p,p=[h · (2D - h)]^1/2 , (16)

что выполняется при h<2D, (16а)

В случае применения активного молниеотвода (рис.5):

Рис. 3 - Активный стержень

R_p.a.=[h · (2D - h)+dL · (2D + dL)] ^1/2, (17)

что выполняется при

h<dL + 2D, (17а)

Рекомендуется сравнивать значения R_p.a. со значениями

R_p.p.=(1,1 - 0,002 · h) · h, (176)

Если окажется, что R_p.a.< R_p.p., то по значениям R_p.p., подставляемых вместо R_p.a. в (17), вычисляется h

где D - дистанция удара (по пиковым значениям токов:

I уровень защиты - D=20 м, I_макс=2,8 кА;

II уровень защиты - D=45 м, I_макс=9,5 кА;

III уровень защиты - D=60 м, I_макс=14,7 кА), в м,

dL - инициация верхнего лидера, в м, определяемая как

dL=v · dT, (18)

(dL определяется при испытаниях в лаборатории для каждой модификации системы молниезащиты производителем)

h - это высота верхушки пьезоэлектрического молниеотвода над поверхностью, которая должна быть защищена, в м

R_p - это защитный радиус молниеотвода, в м

v - скорость инициации верхнего лидера, в м/мкс

dT - время его инициации, в мкс

Полученные данные, используются для подбора систем активной молниезащиты, прошедших сертификацию в Республике Казахстан.

В таблицах 14 и 14.1 как пример показан вариант подбора систем активной молниезащиты.

Таблица 14 для пьезоэлектрических молниеприёмников. Которые применимы для регионов, где ветровая нагрузка более 0,40 кгс/м² («Нагрузки и воздействия» СНиП 2.01.07-85* Таблица 5.) Таблица 14.1. для систем импульсного напряжения.

Пример: Требуемый уровень защиты I, расчётная верхней точки пьезоэлектрического молниеотвода над поверхностью, которая должна быть защищена - h(m) = 6, расчётный защитный радиус молниеотвода - R_p(m) = 63

Таблица 14 - Зависимость радиуса защиты (R_p) от высоты сооружения (h) для разных уровней защиты (N_p), активных пьезоэлектрических систем молниезащиты

Таблица 14.1 - Зависимость радиуса защиты (R_p ) от высоты сооружения (h) для разных уровней защиты (N_p), активных систем молниезащиты импульсного напряжения

Основным преимуществом метода катящейся сферы является простота его применения. В случае простых структур он может быть успешно применён вручную, но для более сложных структур этот метод требует сложного цифрового объёмного моделирования на основе компьютерного программного обеспечения. Фундаментальной технической проблемой, связанной с этим методом, является предписывание равной возможности инициации лидера всем контактирующим точкам на структуре. Так что, для данного будущего пикового ударного тока или, иными словами, уровня защиты дистанция удара является постоянной величиной. Хотя этот метод является приближённым, он может быть применён при конструировании надёжных и эффективных систем молниезащиты.

Ещё два исследования дали определённый прогресс в реализации метода конструирования на основе солидного физического базиса. Это - модель прогрессии лидера и теория начала лидера. Но пока они не включены в новые стандарты МЭК.

Особенно пристального внимания заслуживает в настоящее время метод отбора объёма (МОО): Этот метод, являющийся улучшенным методом ЭГМ, был впервые предложен Эрикссоном в 1979 г. Затем, в 1980 и 1987 гг., им были проведены дальнейшие усовершенствования этого метода.

МОО использует физическое приближение с использованием хорошо известного факта, что дистанция удара, D, зависит как от пикового ударного тока, (или заряда нижнего лидера), так и от степени увеличения электрического поля, называемого в дальнейшем как «фактор интенсификации поля», К, будущей точки удара. Для структур К определяется в большей степени высотой и шириной, но форма и радиус кривизны структуры или структурные особенности также являются важными факторами. В случае молниеприёмников К зависит от высоты и радиуса кривизны вершины. Когда молниеприёмники расположены на зданиях, К умножаются на коэффициент, который зависит от размеров структуры.

Следовательно, улучшенное приближение к конструированию молниезащиты должно принять, что все точки на сооружении способны выбрасывать перехватывающий верхний лидер, но дифференцировать те точки, основанные на факторе интенсификации локального поля. Фактор интенсификации поля вычисляется относительно легко, используя цифровой метод, такой как метод ограниченного элемента.

МОО успешно развивается и улучшается применительно к любой объёмной структуре, установленной с молниеприёмниками. Метод учитывает приближение нижнего лидера молнии к структуре и, используя К молниеприёмников и структурных особенностей, определяет точку, из которой будет выброшен верхний лидер.

МОО будет лучше ЭГМ, если перехват будет иметь место только, если смежная конкурирующая особенность структуры не завладеет перехватом нижнего лидера. Критерием для этого условия будет служить примерное равенство скоростей верхнего и нижнего лидеров.

На основе анализа удалось определить объём параболического типа выше особенности (структуры, структурных особенностей или молниеприёмников), который представляет объём захвата той особенности, или обычно используемый термин «объём отбора».

В терминах модели для специфического заряда лидера и отношения скоростей нижний лидер будет заканчиваться на структуре или молниеприёмнике, если дистанция удара достигнута и дорожка лидера будет находиться внутри внешних границ объёма отбора. Эта информация часто суммируется в виде радиуса притяжения, R_a, который является простым радиусом объёма отбора на высоте, определённой поверхностью дистанции удара. Радиус притяжения является наиболее важным выходным параметром анализа отбора, так как впоследствии он может быть использован для вычисления площадей защиты, захвата или притяжения для данной структуры, структурной особенности или молниеприёмника.

К настоящему времени уже имеются серии повторяющихся вычислений в широком диапазоне высот сооружений (10-200 м) и параметров молнии. Из этих данных было получено основное соотношение между радиусом притяжения, R_a, в метрах, пиковым током, I_макс, в килоамперах, и высотой сооружения, h, в метрах. Для отношения скоростей верхнего и нижнего лидеров, равного 1, оно имеет вид:

R_a=0,84 · I_мakc^0,74 · h^0,6, (19)

Иллюстрация конструирования молниезащиты с использованием МОО показана на рисунке Приложения В. Удар 1 имеет больший заряд лидера (2К). На входе в поверхность дистанции удара 2К он инициирует верхний лидер перехвата из точки А перед критическими условиями, имеющими место на других частях структуры. В ударе 2 заряд лидера меньше (1К) и он находится ближе к структуре. Точка А обходится, потому что нижний лидер находится за пределами своего объёма отбора, даже хотя он может инициировать верхний лидер. Следовательно, точка В является наиболее вероятной точкой удара.

Современные компьютеры вместе с программами моделирования, которые используют методы ограниченного элемента или моделирования заряда, или их комбинацию, дали возможность вычислять с относительной легкостью распределение электрического поля над и вокруг структуры и её микрогеометрии. Следовательно, могут быть вычислены факторы интенсификации поля для всех будущих конкурирующих особенностей для того, чтобы начать процесс конструирования МОО.

Объём отбора вычисляется для каждой структурной особенности, включая молниеприёмники, мачты, антенны и т.д.

Стоит упомянуть, что с начала применения этого метода (МОО) в течение более 10 лет были успешно защищены более чем 7000 зданий и сооружений во всём мире.

Этот метод наилучшим образом работает в виде компьютерной программы, так как необходимые данные для вычислений, как высота площадки, высота базового облака, заряд лидера (уровень защиты), высота структуры и форма, факторы интенсификации поля, отношение скоростей лидеров хранятся и легко вычисляются программой и всегда доступны, когда заказчик потребует сконструировать оптимальную молниезащиту.

Тем более, все эти данные можно легко модернизировать на компьютере.

Важно отметить, что МОО может быть использован для любых систем молниеприёмников, сконструированных для перехвата молнии, будь то пассивные или активные системы.

8. Элементы системы РСЭ

8.1 Молниеприёмники

Молниеприёмник должен быть зафиксирован на вершине свободно стоящей смонтированной на земле опоры башни в пределах защищаемой области. Растяжки не должны быть использованы.

Башня должна быть установлена с наружной стороны безопасной области и на минимальном расстоянии 8 м от резервуара с нефтью или газом.

Верхушка молниеприёмника РСЭ должна находиться по меньшей мере на 2 м выше защищаемой площади.

Высота молниеприёмника РСЭ может быть увеличена при помощи мачты. Если молниеприёмник РСЭ закреплён при помощи токопроводящих растяжек, то они должны быть подсоединены к молниеотводу при помощи проводников (таблица 15).

Использование изолированных коаксиальных кабелей в качестве проводников не разрешается, за исключением использования в системе антикоррозийной защиты.

Поскольку ток молнии имеет импульсную характеристику, предпочтительней использовать плоский проводник, чем круглый такого же сечения, так как импульсный ток течёт в основном по поверхности.

Если внешняя установка для заданной структуры включает несколько молниеприёмников РСЭ, то они так же соединяются между собой с использованием проводников (таблица 15).

Таблица 15 - Соединяющие проводники

Предпочтительными архитектурными характеристиками для установки молниеприёмников РСЭ являются комнаты оборудования на плоских крышах, коньки крыш, металлические или кирпичные трубы.

Молниеприёмник состоит из головки захвата, которая запрофилирована, неизменяема и является хорошим проводником, сконструирована для создания усиленной воздушной циркуляции на своём кончике и в своём продолжении системы для входа и выхода воздуха таким образом, что воздух заходит в нижние отверстия и, поднимаясь, выходит через верхние (рис.7.1).

Существуют 2 фундаментальные концепции применительно к молниеприёмникам:

1. Молниеприёмники, которые вырабатывают громадные количества корон, являются менее эффективными в перехвате нижнего лидера молнии. Слой результирующего пространственного заряда может значительно сдерживать развитие ответного верхнего лидера из молниеприёмника. Более того, различные ветровые воздействия на слой пространственного заряда способствуют созданию ненадёжных и неэффективных молниеприёмников, создающих корону. Так что молниеприёмники-рассеиватели являются также ненадёжными.

2. Эффективным молниеприёмником является тот, который выбрасывает верхний стример при оптимальных условиях. Электрическое поле, требуемое для инициации и поддержания стабильного размножения верхнего лидера находится в пределах 300-500 кВ/м для положительного лидера и ~ 1 МВ/м для отрицательного. Стримеры должны иметь минимальную длину 0,7-1 м перед тем, как они могут превратиться в стабильный разряд лидера.

Смысл этих концепций состоит в том, что молниеприёмник со способностью выбрасывать стример рано, является не обязательно наиболее эффективным. Скорее, более важно выбросить стример в то время, когда он сможет превратиться в стабильный размножающийся лидер. Это может иметь место только тогда, когда напряжённость поля в одном метре выше кончика молниеприёмника больше, чем пороговые величины, упомянутые выше.

Это следует из соотношения:

W_e ~ E² , (20)

где W_e - плотность энергии электрического поля,

Е - напряжённость электрического поля.

Так как стримеры и лидеры берут требуемую энергию для размножения из электрического поля, то, если напряжённость поля очень низкая, стример или лидер прекратят размножение и просто будут рассеяны в пространственном заряде.

Геометрия молниеприёмника также имеет важное значение. Электрическое поле над тупым молниевым стержнем остаётся на более высоком уровне, чем поле над острым стержнем. Следовательно, критерий начала лидера для тупого стержня обозначится в более слабых окружающих электрических полях. С другой стороны, острые стержни производят корону во многих более слабых окружающих полях и, следовательно, будут испытывать эффекты истощения пространственного заряда.

При сравнении электрического поля над вершиной и вокруг молниеприёмника было установлено, что напряжённость электрического поля убывала с увеличением расстояния от молниеприёмника, причём в присутствии пространственного заряда её значения всегда были ниже, чем в его отсутствии.

8.2 Молниеотводы

Молниеотвод должен быть круглым с высокой проводимостью или плоским твердым медным проводником с минимальным сечением 50 кв.мм. Он должен быть зафиксирован на опорах башни из расчёта 3 скоб на метр.

Молниеотвод должен быть соединён с молниеприёмником с помощью металлического адаптера, помещённого на молниеприёмник (Приложение Д). Он должен затем спуститься вниз по башне по самому короткому прямому пути к конечной сети заземления, избегая любых резких поворотов, таким образом обеспечивая путь с низким импедансом от молниеприёмника к своей конечной системе заземления.

Опорный шест из обработанной меди (или нержавеющей стали в соответствии с модификацией), верхняя часть которого имеет одну или более точек испускания ионов, из нержавеющей стали (Приложения Г, Б).

Молниеотвод устанавливается снаружи сооружения. Жесткий плоский проводник предпочтителен гибкому кабелю из-за лучшей индуктивности. Проводники не должны быть окрашены, так как это увеличит импеданс. Чтобы избежать проблемы с перепрыгиванием разряда, должны применяться только постепенные изгибы. Где это представляется практичным, стальная структура здания, как часть подсистемы, может также быть использована вместо молниеотвода.

Каждый молниеприёмник должен быть соединён системой заземления по меньшей мере одним молниеотводом. Два или более молниеотводов нужны в случае, если:

горизонтальная проекция защищаемого здания больше, чем его вертикальная проекция (молниеприёмник установлен на крыше здания);

высота здания больше 28 м.

Молниеотводы не должны прокладываться вдоль или поперёк кабельных каналов. Однако, если пересечение кабельного канала неизбежно, то он должен быть расположен внутри металлического экрана, который перекрывает по одному метру с каждой стороны точку пересечения. Экран должен быть соединён с молниеотводом.

Если молниеотводы обходят парапетные стенки или карнизы, то радиус закругления не должен быть меньше 20 см.

При креплении фиксаторов водонепроницаемость крыши не должна быть нарушена.

Соединения молниеотводов между собой должны осуществляться при помощи зажимов из того же материала или мощными заклёпками, пайкой или сваркой (Приложение Е).

Следует избегать сверления отверстий в молниеотводах.

Если наружная прокладка неудобна, молниеотвод может быть проложен внутри трубы, проходящей на всю высоту или часть высоты здания. Изоляция невозгораемых внутренних труб может быть использована, когда площадь их внутреннего сечения составляет не менее 2000 кв.мм.

Молниеотводы, прокладываемые по наружным стенам зданий, следует располагать не ближе чем в 3 м от входов или в местах, не доступных для прикосновения людей.

Можно также в качестве молниеотводов использовать естественные металлические элементы здания при условии контроля сопротивления между точкой присоединения к молниеприёмнику и точкой присоединения к заземлителю этого элемента (сопротивление должно быть не более половины Ома) и при размерах металлоконструкций здания, соответствующих размерам соединительных проводников (табл.10).

Тестовый зажим должен находиться внизу башни в поливинилхлоридном или бетонном инспекционном углублении таким образом, чтобы молниеотвод мог бы быть отсоединён от терминала «земля» и могли бы быть проведены регулярные проверки этого терминала.

Каждый молниеотвод должен быть снабжён тестовым зажимом. На нём должна быть нанесена надпись «молниеотвод» и символ земля.

Тестовые зажимы обычно устанавливаются на молниеотводах на высоте примерно 2 м от уровня земли или в инспекционных углублениях в случае использования естественных элементов здания вместо молниеотводов. Этот стык (зажим) связывает заземлитель с металлическим естественным элементом здания.

В случае использования счётчика молниевых вспышек, он должен быть установлен на наиболее прямом участке молниеотвода выше тестового зажима и в любом случае на высоте не менее 2 метров от поверхности земли.

8.3 Перемычки

Перемычки гарантируют, что не связанные проводящие объекты имеют одинаковый электрический потенциал. Без правильно установленных перемычек система молниевой защиты не будет работать. Все металлические проводники, входящие в объект (например, электролинии, газовые и водяные трубы, линии связи, воздуховоды вентиляции и кондиционирования, трубопроводы, железнодорожные рельсы, навесные мостовые краны, закатывающиеся двери, металлические рамы дверей, перила и т.д.) должны быть привязаны к одному потенциалу земли.

Соединение перемычкой должно быть по возможности не механическим, а сварным, особенно в местах под поверхностью. Механические соединения подвержены коррозии и физическим повреждениям. Рекомендуется частые инспекции и замеры сопротивления перемычек (максимум 10 мОм) для гарантии надёжного электрического соединения.

При прохождении тока молнии через проводник появляется разность потенциалов между молниеотводом и близлежащими заземлёнными металлическими предметами. Могут появиться опасные разряды на концах разорванной цепи.

Когда не используется эквипотенциальное соединение, минимальное расстояние при котором не возникает опасный разряд, считается безопасной дистанцией, S, и зависит от выбранного уровня защиты, количества молниеотводов, материала, находящегося между концами петли, и расстояния от металлического предмета до точки подсоединения заземления:

S = n • k_j • I/k_m , (21)

где n - фактор учёта количества молниеотводов для каждого молниеприёмника:

n =1 для одного проводника,

n =0,6 для двух проводников,

n =0,4 для трёх и более проводников;

k_j - фактор учёта уровня защиты:

k_j =0,1 для уровня защиты I,

k_j =0,075 для уровня защиты II,

k_j =0,05 для уровня защиты III;

k_m - фактор учёта материала, используемого между концами петли (цепи):

k_m =1 для воздуха,

k_m =0,52 для твёрдого неметаллического материала;

I - вертикальное расстояние от точки металлического предмета до точки подсоединения к заземлению или ближайшей точки эквипотенциального соединения.

Если близлежащие проводящие части электрически не заземлены, необходимо обеспечить эквипотенциальное соединение. Если расстояние от металлического предмета до молниеотвода меньше безопасного, то его необходимо соединить с ним.

Эквипотенциальное соединение должно быть обеспечено при следующих размещениях:

A) над землёй и под землёй;

Б) на меньшем расстоянии, чем безопасное, если структуры заземления не соединены. Если СЗМ отделена от защищаемой структуры, то эквипотенциальное соединение должно быть сделано только на уровне грунта;

B) в случае газопроводных труб S=3m.

Антенна или небольшая опора, поддерживающая электрические линии, должны быть подсоединены к ближайшему молниеотводу при помощи волнового защитного устройства (разрядника) типа искрового промежутка. Если трубопроводы (вода, газ и т.д.) с изолированными частями проложены в пределах рассматриваемого пространства, то такие изолированные участки должны быть обойдены.

Неэкранированные телекоммуникационные или электрические проводники должны быть соединены с СЗМ через разрядники перенапряжений.

8.4 Заземление

Система заземления должна иметь низкий импеданс на землю и низкое сопротивление. Анализ спектра типичного импульса молнии показывает как высокочастотную, так и низкочастотную составляющие. Для импульса молнии система заземления ведёт себя как волновод, поэтому к ней применима теория распространения волн. Значительная часть тока молнии после удара на землю распространяется горизонтально, только менее 15% тока проникает в глубь земли. В результате, низкое сопротивление менее важно, чем объёмная эффективность заземления.

Таблица 16 - Материалы и минимальные размеры систем заземления

Кроме того, существуют методы для уменьшения сопротивления земли:

а) хлорид кальция или натрия закапывается в землю вместе с электродами заземления для увеличения проводимости. Проводник и соль обычно требуют замены через несколько лет. Для уменьшения трудоёмкости и затрат, связанных с этой заменой, уже разработан химически заполняемый стержень;

б) система электродов заземления, перед тем как она будет закопана, обволакивается материалом наподобие пластика. При этом уменьшается разность потенциалов между электрической системой заземления, охватывающей структуру здания, и землёй.

8.5 Антикоррозийная защита

Разрушение металлов и сплавов в результате протекания на их поверхности электрохимических реакций называется электрохимической коррозией.

Электрохимическая коррозия развивается при контакте металлов с раствором электролита. При электрохимической коррозии на металле протекают одновременно два процесса:

окисление металла - анодный процесс

M^o - n • e = M • n⁺ (22)

и восстановление окислителя, например, кислорода или катионов водорода - катодный процесс

О₂ + 2 • Н₂О + 4 • е = 4 • ОН (кислородная коррозия) (23)

2 • Н₃О⁺ + 2 • е = Н₂ + 2 • Н₂О (водородная коррозия) (24)

Кислородная коррозия протекает в нейтральных и основных растворах, а водородная коррозия - в кислых растворах (при рН<4).

Электролитом может служить плёнка воды, которая появляется вследствие конденсации влаги на поверхности любого металла. Скорость электрохимической коррозии зависит от электропроводности раствора электролита. Чистая вода - плохой проводник электричества, атмосферная вода проводит электрический ток значительно лучше в основном из-за химического растворения в ней диоксида углерода и образования электролита - угольной кислоты Н₂СО₃. Кроме того, электропроводность атмосферной воды увеличивают промышленные газовые выбросы SO₂ (образуются в основном из серосодержащих примесей угля при его сжигании), вызывающие высокую кислотность атмосферной воды:

SO₂ • H₂O + H₂O - HSO₃^- + Н₃О⁺

При рН < 7 (25)

Коррозионная опасность промышленных отходящих газов велика. Поэтому, особенно остро эта проблема стоит в Казахстане, где до сих пор не приняты надлежащие меры по снижению выбросов промышленных отходов (Балхаш, Усть-Каменогорск, Алматы и др.).

Особенно коррозионноопасным может быть место контакта двух разнородных металлов. Электрохимическая коррозия, развиваемая при контакте двух металлов, имеющих разные потенциалы в данном электролите, называется контактной. Коррозия металла с более отрицательным потенциалом обычно усиливается, а коррозия металла с более положительным потенциалом замедляется,. Для протекания контактной коррозии достаточно включений примеси на поверхности металла.

Существуют различные способы защиты от коррозии, основанные на снижении агрессивности коррозионной среды, нанесении защитных покрытий и применении электрохимических методов - электрохимической защиты.

Один из видов электрохимической защиты - катодная защита заключается в том, что защищаемый металл соединяют с отрицательным полюсом внешнего источника постоянного тока, а положительный полюс - со вспомогательным материалом (обычно графитом), который будет окисляться и тем самым защищать основной металл.

Другой вид электрохимической защиты - протекторная защита осуществляется путём присоединения к защищаемому металлу протектора - более активного (то есть менее благородного металла), который легче окисляется и тем самым предохраняет основной металл от коррозии. Так, для защиты от коррозии изделий из железа и его сплавов в качестве протектора обычно применяют магний.

Проблема антикоррозийной защиты особенно актуальна в трубопроводных отраслях. Физико-химические свойства почвы, такие как пористость, проводимость, растворимые соли, влажность и рН, имеют коррозионное влияние на сталь.

Дистанционная подача питания осуществляется приложением постоянного напряжения вплоть до 100 В между трубой и вспомогательным элементом, при этом токи могут возрасти до 100 А.

Для уменьшения коррозии необходимо:

- избегать использования несоответствующих металлов в агрессивных средах;

- избегать контакта разных металлов с различными гальваническими парами;

- использовать проводники соответствующих размеров и коррозионностойкие соединители;

- обеспечивать защитные покрытия в критических случаях в соответствии с внешними воздействиями.

Для выполнения вышеуказанных требований предлагаются следующие меры предосторожности:

- минимальная толщина или диаметр проводника должны соответствовать требованиям этой инструкции;

- алюминиевые проводники не должны заглубляться или заделываться непосредственно в бетон, если только они не снабжены долговременной изоляцией;

- соединений медь - алюминий, необходимо избегать везде, где это возможно;

- для заземления больше подходит медь, за исключением некоторых кислых сред при контакте с кислородом и сульфатами;

- при наличии серных или аммониевых паров на молниеотводах может быть применено покрытие (допускается толщина изоляционного материала покрытия менее 0,5 мм);

- соединители проводников должны быть сделаны из нержавеющей стали или соответствующего материала в зависимости от коррозионных условий среды.

9. Специальные меры

9.1 Антенны

Антенная мачта должна быть соединена через волновое защитное устройство или искровой промежуток с молниеотводом, если только антенна не находится вне защищаемой зоны или на другой крыше.

Общая поддерживающая мачта может быть использована при следующих условиях:

- общая мачта опоры состоит из адекватно расположенных труб, которые не нуждаются в растяжках;

- молниеотвод РСЭ присоединён к вершине мачты;

- вершина молниеприёмника РСЭ находится, по меньшей мере, на 2 м выше ближайшей антенны;

- молниеотвод установлен при помощи хомута, соединённого со стержнем (шестом);

- коаксиальный кабель антенны проложен внутри антенной мачты;

- защита антенно-мачтовых сооружений в иных случаях осуществляется путём заземления антенных опор и антенно-фидерных устройств.

9.2 Соломенные или тростниковые крыши

Молниеотвод РСЭ должен быть проложен по дымоходной трубе. Он должен иметь диаметр 8 мм из отожжённой меди, который прокладывается на отстоящих изоляторах по краю крыши на расстоянии 20-25 см от соломенной крыши.

9.3 Заводские трубы

Дым и горячие газы создают дополнительную ионизацию воздуха, поэтому они в большей степени подвержены ударам молнии.

На верхней части трубы должен быть установлен молниеприёмник РСЭ из материалов, подходящих для коррозионной атмосферы и повышенной температуры. Он должен быть размещён с обдуваемой стороны.

При наличии на зданиях и сооружениях прямых газоотводных труб для газов, паров и взвесей взрывоопасной концентрации в зону защиты молниеотводов должно входить пространство над обрезом труб, ограниченное полушарием радиуса 5 м.

Для газоотводных и дыхательных труб, оборудованных колпаками или «гусаками», в зону защиты молниеотводов должно входить пространство над обрезом труб, ограниченное цилиндром высотой Н и радиусом R:

- для газов тяжелее воздуха при избыточном давлении внутри установки менее 5,05 кПа (0,05 ат) Н=1 м, R=2 м; 5,05-25,25 кПа (0,05-0,25 ат) Н=2,5 м, R=5 м;

- для газов легче воздуха при избыточном давлении внутри установки менее 25,25 кПа Н=2,5м, R=5 м; свыше 25,25 кПа Н=5 м, R=5 м.

Для дымоходных труб высотой 40 метров и выше, как минимум должны быть установлены два молниеотвода, диаметрально расположенных с обдуваемой и не обдуваемой стороны. Эти молниеотводы должны быть соединены на верхнем конце и у основания дымоходной трубы при помощи горизонтальных проводников. Каждый молниеотвод должен быть заземлён.

9.4 Хранилища возгораемых и взрывчатых материалов

Для наружных взрывоопасных установок взрывоопасная зона класса B-Ir считается в соответствии с п.п. 7.3.43 и 7.3.44 ПУЭ.

Ёмкости, содержащие горючие жидкости, должны быть заземлены. Молниеприёмники РСЭ должны быть подняты на мачты, шесты, пилоны или любые другие структуры, находящиеся на расстоянии не менее 8 м от ёмкости по горизонтали и вертикали и 20 м от места открытого слива и налива для эстакад с открытым сливом и наливом, соответственно. Молниеотвод и система заземления должны быть эквипотенциальными. Минимальное допустимое расстояние от молниеотводов до взрывоопасных помещений и установок определяется в соответствии таблицей 7.3.15 ПУЭ. Вблизи пожароопасных зон СЗМ устанавливается в соответствии с классами зоны, но не менее 5 м от этих зон, также в соответствии с ПУЭ.

9.5 Религиозные постройки

Шпили, башни, минареты и звонницы наиболее подвержены риску ударов молнии. Высотные выступающие части должны быть защищены молниеприёмниками РСЭ с молниеотводами, соединёнными с землей, проложенными по главной башне.

Второй молниеотвод должен быть проложен по гребню нефа (пристройка к высотной части), если существует одно или более из нижеследующих условий:

- общая высота превышает 40 метров;

- по причине своей длины неф простирается за пределы зоны защиты высотной части

Второй молниеотвод должен быть присоединён к первому молниеотводу и молниеприёмнику на вершине высотной части.

Все металлические предметы внутри и вне здания, система РСЭ и общий контур заземления здания должны быть эквипотенциальными.

9.6 Открытые площадки, зоны отдыха

Игровые поля, лагеря, автостоянки, плавательные бассейны, треки, автодромы, парки отдыха и т.д. должны быть оснащены системами РСЭ.

Молниеприёмники РСЭ устанавливаются на флагштоки, осветительные мачты, пилоны или иные высотные структуры. Количество и расположение систем РСЭ зависит от типа и площади поверхности, которая должна быть защищена в соответствии с положениями настоящей инструкции.

9.7 Деревья

В тех местах, где опасность удара молнии влечёт опасность для близлежащих структур, в том числе для исторических и эстетических памятников, дерево может быть защищено при помощи установки молниеприёмника РСЭ на его вершине.

При монтаже предлагается использовать молниеотвод в виде гибкого кабеля, закреплённого при помощи хомутов к главному стволу дерева.

9.8 Дополнительные меры защиты

При применении кабелей без металлической оболочки они должны прокладываться в металлических трубах, которые должны быть заземлены.

При применении кабелей с металлической бронёй или труб, проложенных в земляных траншеях или открытым способом длиной более 20 м, броня и металлическая оболочка кабелей (при её наличии) или трубы должны иметь электрический контакт с металлоконструкциями опор или здания с одного конца, и с заземлителем сооружения - с другого. При невозможности использования металлоконструкций в качестве заземлителя необходимо использовать искусственный заземлитель.

При применении кабелей с металлической бронёй, проложенных в земляных траншеях длиной менее 20 м или при прокладке в грунтах с плохой проводимостью (более 500 Ом · м), следует дополнительно к заземлению устанавливать разрядники на вводах кабелей в здание или сооружение на расстоянии не более 10 м от точки ввода в здание до места установки разрядников. Заземление разрядников должно присоединяться к контуру заземления здания.

Ввод в здание воздушных линий электропередач напряжением менее 1 кВ, сетей телефона, радио, сигнализации должен осуществляться только кабелями длиной не менее 50 м с металлической бронёй или оболочкой или кабелями, проложенными в металлических трубах.

Ввод в здание воздушных линий электропередач напряжением более 1 кВ должен выполняться в соответствии с ПУЭ.

Металлические конструкции и корпуса оборудования, устройств и приборов, находящиеся в защищаемом здании, должны быть присоединены к отдельному заземлителю или к железобетонному фундаменту здания.

Внутри зданий и сооружений между трубопроводами и другими протяжёнными металлическими конструкциями в местах их взаимного сближения на расстоянии менее 10 см через каждые 20 м следует приваривать или припаивать перемычки из стальной проволоки диаметром не менее 5 мм или стальной ленты сечением не менее 24 мм; для кабелей с металлическими оболочками или бронёй перемычки должны выполняться из гибкого медного проводника в соответствии с указаниями СНиП РК 4.04-06-2002.

В соединениях элементов трубопроводов или других протяжённых металлических предметов должны быть обеспечены переходные сопротивления не более 0,03 Ом на каждый контакт. При невозможности обеспечения контакта с указанным переходным сопротивлением с помощью болтовых соединений необходимо установить стальные перемычки с вышеуказанными размерами.

При напряжениях, превышающих напряжение пробоя изоляции в результате действия молнии, необходимо учитывать, что пробой через воздушную или фарфоровую изоляцию (обычно используемую при изоляции линий электропередач) в большинстве случаев не вызывает существенных повреждений. Напротив, в генераторах, трансформаторах или двигателях, где используются твёрдые изоляционные материалы, пробой может вызвать существенные повреждения.

Кабели и оборудование должны быть защищены от перенапряжений в результате воздействия молнии с помощью применения либо экранирования, либо разрядников для отвода токов на землю. Типичный молниевый удар несёт в себе мощность около 3 · 10¹² Вт при напряжении 1,25 · 10⁸ В и токе свыше 20 кА. Разработка, тестирование и взаимосвязь изоляции с устройствами молниезащиты может быть облегчена путём принятия стандартной волны напряжения молнии в 1,2 x 50, как импульса перенапряжения, то есть в микросекундной волне 1,2 x 50 максимум достигается за 1,2 мкс, а спад до половины максимального значения напряжения происходит за 50 мкс.

10. Контроль и техническое обслуживание

Современные методы диагностической проверки способны удостоверить работоспособность отдельных устройств в системе защиты и установить путь прохождения молнии по поражённому объекту. Датчики регистрации проходящего тока молнии могут быть установлены на молниеотводах. Регулярная инспекция и испытания должны быть частью установленной программы по поддержанию СЗМ в рабочем состоянии. Без такой программы СЗМ может стать неэффективной.

Компоненты СЗМ могут потерять свою эффективность со временем в результате коррозии, метеоусловий, механических повреждений и действия молнии.

10.1 Визуальный осмотр

Целью этого осмотра является соответствие СЗМ положениям настоящей инструкции:

- молниеприёмник РСЭ находится на высоте не менее 2 м от защищаемой площади и охватывает её;

- материалы, средства и способы контроля соответствуют положениям настоящей инструкции и другим стандартам;

- проводники проложены, размещены и электрически подсоединены должным образом;

- все безопасные дистанции выдержаны и эквипотенциальные соединения обеспечены;

- значение сопротивления системы заземления соответствует норме;

- Все системы заземления соединены между собой.

10.2 График инспекций

Частота инспекций определяется уровнем защиты (I - очень высокий, II - высокий, III -стандартный) (табл.17)

Таблица 17 - Частота инспекций в год

СЗМ должна инспектироваться при реконструкции структуры, ремонтах и после удара молнии.

Визуальный контроль должен выполняться для обеспечения следующих параметров:

- никакое расширение или модификация защищаемой структуры не требует дополнительных мер по защите от удара молнии;

- электрическая целостность проводников сохранена;

- все крепёжные элементы находятся в исправном состоянии;

- никакие части не разрушены коррозией;

- безопасные дистанции соблюдены и эквипотенциальных соединений достаточно и они находятся в хорошем состоянии.

Измерения должны быть проведены для проверки:

- электрической целостности проводников;

- величины сопротивления системы заземления (любые отклонения должны быть проанализированы).

Каждая инспекция, проведённая по графику, является предметом детального отчёта, содержащего все сведения об обнаруженных отклонениях и мерах, которые должны быть осуществлены.

Любые нарушения, обнаруженные при плановой инспекции, должны быть устранены как можно скорее для поддержания работоспособности СЗМ.

Приложение А
        (справочное)

Рис. А.1 - Прямоугольное здание

Приложение Б
      (справочное)

Эквивалентная площадь

Рис. Б.1 - Эквивалентная площадь выступающей части окружает всю нижнюю часть

Рис.Б.2. - Эквивалентная площадь выступающей части окружает часть нижней части

Приложение В
    (справочное)

Рис. В.1 - Иллюстрация конструирования уровня молниезащиты с использованием МОО

Приложение Г
      (справочное)

1. Головка захвата

2. Опорный шест

3. Пьезоэлектрический стимулятор

Рис. Г.1. - Устройство молниезащиты системы РСЭ

Приложение Д
(справочное)

Хомуты из нержавеющей стали

для заземленных проводников вокруг

цилиндрических элементов таких,

как трубы, трубные опоры, мачты.

Применение осуществляется

с помощью отвертки

с гексагональной головкой

Рис. Д.1 - Крепление молниеотвода

хомуты диам. 25-82 мм

Битумизированная алюминиевая

скоба - плоский проводник,

закрепленный на плоских

водостойких террасах крыши.

Прикладывается горячим цементированием.

Рис. Д.2 - Скоба

Приложение Е
       (справочное)

Зажим для 30 мм плоского

молниеотвода.

Этот зажим из неизменяющегося

синтетического материала,

используется для крепления плоского

молниеотвода ко всем материалам

Ленточный зажим и расширенная

заклепка.

Сделанный из нержавеющей стали,

этот зажим используется

для крепления молниеотвода с

расширенной заклепкой или винтом

Рис. Е.1 - крепление молниеотвода

Приложение Ж
      (справочное)

Медь, покрытая оловом.

Контрольный стык

Должен быть смонтирован на каждом молниеотводе

для отсоединения от своего терминала земли.

Имеет очень низкий импеданс и совершенную

проводимость, сконструирован для легкого

монтажа и инспекции.

Защитная труба

Гальванизированная стальная защитная.

Сконструирована для защиты молниеотводов от

механического удара. Она должна

располагаться возле земли и возле проходов

Рис. Ж.1 - Оборудование для заземления

Приложение И
     (справочное)

Заземляющие соединители

Рис. И.1 - Стандартный молниевый проводник.

Система заземляющего соединения типа «воронья лапа»

Рис. И.2 - Молниевый проводник.

Система заземляющего соединения типа «воронья лапа»

Рис. И.3 - Молниевый проводник

заземляющее соединение треугольными стержнями

Рис. И.4 - Молниевый проводник

Заземляющее соединение однонаправленными стержнями

Рис. И.5 - Соединение проводника со стержнем заземления

Рис. И.6 - План расположения системы заземления