Грозы, удары молний, градобитие

Таким образом, и при разряде молнии ток в месте удара будет равен σv только при сопротивлении заземления, равном нулю. При сопротивлениях заземления, отличных от нуля, ток в месте удара уменьшается. Количественно определить это уменьшение довольно трудно, так как волновое сопротивление канала молнии можно оценить лишь грубо приближенно. Имеются основания предполагать, что волновое сопротивление канала молнии уменьшается при увеличении тока, причем среднее значение примерно равно 200 - 300 Ом. В таком случае при изменении сопротивления заземления объекта от 0 до 30 Ом ток в объекте изменяется всего на 10%. Такие объекты в дальнейшем мы будем называть хорошо заземленными и считать, что через них проходит полный ток молнии iM = σ v.

Молнии с большими токами возникают крайне редко. Так, молнии с токами 200 кА возникают в 0,7… 1,0% случаев от общего числа наблюдавшихся разрядов. Число случаев ударов молний с величиной тока 20 кА составляет порядка 50%. Поэтому принято значения амплитуд токов молний представлять в виде кривых вероятностей (функций распределения), для которых по оси ординат откладывается вероятность появления токов молнии с максимальным значением.

Основной количественной характеристикой молнии является ток, протекающий через пораженный объект, который характеризуется максимальным значением iM, средней крутизной фронта и длительностью импульса tи, которая равна времени уменьшения тока до половины максимального значения.

Рисунок 8. Кривые вероятности токов молнии

Для горных местностей ординаты кривой уменьшаются в 2 раза, так как при малых расстояниях от земли до облаков молния возникает при меньшей плотности зарядов в скоплениях, т.е. вероятность больших токов уменьшается.

Длительность импульса тока молнии в основном определяется временем распространения обратного разряда от земли до облака и в связи с этим изменяется в относительно узких пределах от 20 до 80-100 мкс. Средняя длительность импульса тока молнии близка к 50 мкс.

Заряд, переносимый молнией, колеблется в процессе разряда в пределах от долей кулона до нескольких десятков кулон. Средний заряд, опускаемый в землю многократной молнией, равен 15 - 25 Кл. Учитывая, что в среднем разряд молнии содержит три компоненты, следовательно, во время одной компоненты в землю переносится около 5 - 8 Кл. Из них в канал лидера стекает около 60% всего данного скопления зарядов, что составляет 3 - 5 Кл. Удар молнии в равнинные участки поверхности земли несет заряд 10 - 50 Кл (в среднем 25 Кл), при ударах молнии в горах - заряд 30 - 100 Кл (в среднем 60 Кл), при разрядах в телевизионные башни заряд достигает 160 Кл. При разрядах молнии в землю в подавляющем большинстве (85 - 90%) в землю переносится отрицательный заряд.

Заряд, стекающий в землю во время многократной молнии, изменяется в пределах от долей кулона до 100 Кл и более. Среднее значение этого заряда близко к 20 Кл.

1.2.3 Распространенность

Интенсивность грозовой деятельности в различных климатических районах различается очень сильно. Как правило, количество гроз в течение года минимально в северных районах и постепенно увеличивается к югу, где повышенная влажность воздуха и высокая температура способствуют образованию грозовых облаков. Однако эта тенденция соблюдается не всегда. Существуют очаги грозовой деятельности и в средних широтах (например, в районе Киева), где создаются благоприятные условия для формирования местных гроз.

Интенсивность грозовой деятельности принято характеризовать числом грозовых дней в году или общей годовой продолжительностью гроз в часах. Последняя характеристика более правильна, так как число ударов молнии в землю зависит не от числа гроз, а от их общей продолжительности.

Число грозовых дней или часов в году определяется на основании многолетних наблюдений метеорологических станций, обобщение которых позволяет составить карты грозовой деятельности, на которые наносятся линии равной продолжительности гроз - изокеранические линии. Средняя продолжительность гроз за один грозовой день для территории европейской части России и Украины 1,5-2 ч.

Рисунок 9. Пример карты среднегодовой продолжительности гроз

По имеющимся данным, в районах с числом грозовых часов в году π = 30 на 1 км2 поверхности земли в среднем поражается 1 раз в 2 года, т.е. среднее число разрядов молнии в 1 км2 поверхности земли за 1 грозовой час равно 0,067. Эти данные, позволяющие оценить частоту поражения молнией различных объектов.

1.2.4 Угрозы, порождаемые молниями

Прямое попадание молнии в сооружение приводит к неконтролируемому растеканию заряда по его конструкции, что свою очередь грозит пожаром из-за разогрева материалов и опасного искрения. Риск возгорания сохраняется и в том случае, если разряд происходит рядом с объектом - ток может пойти в здание по электропроводам, а также по проводящим подземным коммуникациям (в том числе по газопроводу).

Отдельного внимания требует отрицательное влияние молнии на электрооборудование. Импульс высокого напряжения способен вывести из строя множество приборов. Крайне опасно попадание молнии в воздушную линию электропередач. Силовые кабели, расположенные на пути растекающегося по грунту заряда, тоже могут стать проводником тока, разрушающего все подключенные к сети устройства. В большинстве случаев грозовой разряд создает мощное электромагнитное излучение, которое порождает в проводниках импульсное перенапряжение - микросекундный скачок напряжения с пиковым значением в несколько киловольт, что приводит к большим убыткам.

К импульсным перенапряжениям наиболее чувствительна электронная аппаратура: компьютеры, офисная техника, аудио-, видеосистемы и т.д. К сожалению, в данном случае оказываются совершенно бесполезными «традиционные» устройства, предохраняющие оборудование от повышенных токов и напряжений (автоматы, стабилизаторы напряжения и т.п.), т. к. они не успевают сработать.

1.2.5 Система прогноза, предупреждения и защиты

Площадь возможного поражения определяется в соответствии с габаритами здания.

Плотность Ng вероятных ударов молний на 1 км2 в год определяется, согласно СО-153-34.21.122 - 2003, по следующей формуле:

Ng = (6,7 x Td)/100,                        (1)

где Td - среднегодовая продолжительность гроз, ч. Значение принимают равным среднему по карте грозовой активности, в интервале между двумя ближайшими кривыми, вдоль которых эта величина постоянна.

Риск поражения постройки молнией (без учета экранирования объекта другими, более высокими сооружениями) равен произведению площади объекта на плотность вероятных ударов молний.

По существующим нормативным документам молниезащитная система для жилых зданий высотой до 60 м предусматривает четыре уровня надежности, от 80% (IV уровень защиты) до 98% (I уровень). Речь в данном случае идет о предельно допустимых вероятностях срабатывания защиты при попадании молнии в объект. Для молниезащиты специальных и опасных объектов система молниезащиты может быть расширена и гарантировать защиту вплоть до 99,9%. Но абсолютно полной гарантии безопасности от молний быть не может.

1.2.5.1 Внешние системы молниезащиты

Внешняя молниезащита предохраняет объект от прямого удара. Она «оттягивает» разряд на себя и препровождает его в землю. В простейшем исполнении внешняя защита от молний выглядит как мачта, расположенная на некотором удалении от дома (и выше его, разумеется). Такие устройства принято называть громоотводами.

В общем случае любая система внешней молниезащиты состоит из трех частей: молниеприемника, токоотводов и заземлителей.

Молниеприемник улавливает молнии, токоотводы служат каналом для доставки разряда к заземлителям, а заземлители рассредоточивают заряд по грунту.

1.2.5.2 Внутренняя система молниезащиты

Даже при наличии внешней молниезащиты в случае прямого или близкого удара молнии часть ее тока попадает внутрь здания по трубам и кабелям. При этом на них образуется опасный потенциал, который чреват искрениями и может привести к пожару или поражению людей. Для борьбы с этой опасностью все протяженные проводящие конструкции подключают к заземлению.

Рисунок 10. Зоны внутренней система молниезащиты

ГРЩ - главный распределительный щит; ГЗШ - главная заземляющая шина; КЭ - конечный электропотребитель; w - электрический счетчик

Более серьезную и сложную проблему представляет безопасность электрооборудования. Поэтому используют установку устройств защиты от импульсных перенапряжений (УЗИП).

Рисунок 11. Схема установки УЗИП в TN-S сеть 220/380 В

A, B, C - фазы; N - нейтраль; PE - заземление; F - вводный автомат защиты в главном распределительном щите

1.3 Град

1.3.1 Определение

Град - атмосферные осадки в виде частичек льда круглой или неправильной формы (градин) размером 5-55 мм. Град выпадает в теплое время года из мощных кучево-дождевых облаков, сильно развитых вверх, обычно при ливнях и грозах.

1.3.2 Механизм развития

Рисунок 12. Схема образования града

Поднимающийся от земной поверхности в жаркий летний день теплый воздух охлаждается с высотой, а содержащаяся в нем влага конденсируется, образуется облако. Минуя на некоторой высоте нулевую изотерму, мельчайшие капли воды становятся переохлажденными. Переохлажденные капли в облаках встречаются даже при температуре - 40° (высота примерно 8 - 10 км). Но эти капли очень нестабильны. Поднятые с земной поверхности мельчайшие частицы песка, соли, продукты сгорания и даже бактерии при столкновении с переохлажденными каплями нарушают хрупкий баланс. Переохлажденные капли, вступившие в контакт с твердыми ядрами конденсации, превращаются в ледяной зародыш градины.

Мелкие градины существуют в верхней половине почти каждого кучево-дождевого облака, но чаще всего такие градины при падении к земной поверхности тают. Так, если скорость восходящих потоков в кучево-дождевом облаке достигает 40 км/час, то они не в силах удержать зародившиеся градины, поэтому, проходя сквозь теплый слой воздуха между нулевой изотермой (в среднем высота от 2,4 до 3,6 км) и земной поверхностью, они выпадают из облака в виде мелкого «мягкого» града, либо и вовсе в виде дождя. В противном случае восходящие потоки воздуха поднимают мелкие градины до слоев воздуха с температурой от -10 до -40 градусов (высота между 3 и 9 км), диаметр градин начинает расти, достигая порой диаметра нескольких сантиметров. Стоит отметить, что в исключительных случаях скорость восходящих и нисходящих потоков в облаке может достигать 300 км/час! А чем выше скорость восходящих потоков в кучево-дождевом облаке, тем крупнее град. Для образования градины размером с шар для гольфа потребуются более 10 миллиардов переохлажденных капель воды, а сама градина должна оставаться в облаке как минимум 5 - 10 минут, чтобы достичь столь крупного размера. Градины диаметром более 5 см встречаются в суперячейковых кучево-дождевых облаках, в которых наблюдаются очень мощные восходящие воздушные потоки. Именно суперячейковые грозы порождают смерчи (торнадо), сильные ливни и интенсивные шквалы.

Когда градина достигает такой массы, что восходящий поток не в силах ее удержать, она устремляется к поверхности земли, и мы наблюдаем выпадение крупного града. Так, скорость падения градины диаметров 4 см может достигать 100 км/час, а более крупные градины устремляются к земле со скоростью 160 км/час. В среднем 40 - 70% образовавшихся градин так и не достигают поверхности земли, тая в теплом воздухе.

Площадь зоны градобитий может меняться от одного гектара до нескольких десятков километров. Зоны градобитий соответствуют линии шквала.

При наблюдении града, аккуратно разрезав градину, вы заметите, что матовые слои льда будут чередоваться в виде колец со слоями прозрачного льда. Таким образом, по количеству таких колец можно определить сколько раз градина была поднята восходящими потоками воздуха в облаке. За считанные минуты град покрывает землю ледяными шариками слоем 5-7 см.

1.3.3 Система прогноза, предупреждения и защиты

Расчеты и эксперименты метеорологов и физиков показали, что град зарождается в сравнительно небольшой (20-30 кубических километров), так называемой крупнокапельной зоне облака, и именно на нее надо оказать «нажим».

Самый эффективный способ - искусственно создать большое количество зародышей града. Каждый «новорожденный» будет перехватывать капельки переохлажденной воды, а запасы ее в облаке ограничены. Каждый из зародышей препятствует росту другого, поэтому градины получаются небольшие. Такой град, выпадая на землю, не принесет серьезного урона, а очень возможно, что вместо града пройдет ливень.
Искусственные зародыши града создаются, когда в переохлажденную часть облака вносят сухую углекислоту или йодистое серебро, свинец. Один грамм создает 1012 (триллион) ледяных кристаллов.

Трудность состоит в том, чтобы определить градовую зону в облаке и вовремя распылить там реагенты.

Радиолокаторы обнаруживают градовое облако почти за 40 км до защищаемых территорий. Градовые облака развиваются очень быстро. Весь процесс образования града занимает 30-40 минут, поэтому воздействовать на облако надо не позже чем через 15-20 минут после начала его бурного развития. Уточняют координаты крупнокапельной зоны и пускают в ход зенитные орудия, снабженные специальными снарядами, или ракетами.
Большая противоградовая ракета «Облако» несет примерно 3 кг специального реагента. В голове и хвосте ракеты дистанционные механизмы, которые на необходимой высоте и на определенном участке траектории полета ракеты воспламеняют пиросостав и выбрасывают парашют. Ракета спускается на парашюте, выделяя дым, содержащий мельчайшие частички йодистого свинца. Полет ракеты проходит через переохлажденные части облака, где на частицах аэрозоля образуются мириады ледяных кристаллов. Они и становятся искусственными зародышами градин.

Такая ракета совершенно безопасна, что позволяет вести работы в густонаселенной местности. Дальность действия «Облака» - 10 км.

1.3.4 Правила поведения

1.      Если вы находитесь в автомобиле, то держитесь дальше от стекол, желательно развернуться к ним спиной (лицом к центру салона) и прикрыть глаза руками или одеждой. Если с вами оказались маленькие дети, то их необходимо закрыть своим телом и также прикрыть глаза либо одеждой, либо рукой. Лучше всего лечь на пол (если позволяют габариты салона).

2.      Если вы перемещаетесь на автомобиле, то прекратите движение. Однако предварительно осмотритесь (если позволяет видимость), нет ли поблизости укрытия (мосты, эстакады, гаражи, крытые стоянки). Если поблизости нет подходящего укрытия, то убедитесь, что вы не находитесь посреди проезжей части, и, по возможности, прижмитесь ближе к ее краю. Однако следует учитывать, что съезд на обочину (особенно в низину) опасен, т. к. ее может размыть при интенсивных осадках и возможном подтоплении. Также не въезжайте в места скопления градин, т. к. ваш автомобиль может также потерять управляемость. Ни в коем случае не покидайте во время града автомобиль! Помните, что средняя продолжительность града составляет примерно 6 минут, и очень редко он продолжается дольше 15 минут.

3.      Если град застал вас в помещении, то держитесь как можно дальше от окон и не выходите из дома. Не пользуйтесь электроприборами, т. к. град обычно сопровождается грозовой деятельностью.

4.      Если град застал вас на улице, то постарайтесь выбрать укрытие. В противном случае защитите голову от ударов градин. Не заходите в низины, которые в считанные минуты могут наполниться водой и превратиться в стремительный поток, или в места с наибольшим скоплением градин, где их слой явно толще, чем вокруг.

5.      Не пытайтесь найти укрытие под деревьями, т. к. велик риск не только попадания в них молний, но и то, что крупные градины могут ломать ветви деревьев, что может нанести вам дополнительные повреждения.

6.      Если вы или кто-то рядом пострадал от воздействия крупных градин. Обязательно свяжитесь со службой спасения, при этом укажите примерный размер градин.

2. Расчетная часть

Все расчеты производятся согласно Инструкции по устройству молниезащиты зданий, сооружений и промышленных коммуникаций
(утв. приказом Минэнерго РФ от 30 июня 2003 г. №280).

Предприятия энергетического комплекса можно отнести к объектам с ограниченной опасностью (табл. 1)

При строительстве и реконструкции для каждого класса объектов требуется определить необходимые уровни надежности защиты от прямых ударов молнии (ПУМ).

Для специальных объектов минимально допустимый уровень надежности защиты от ПУМ устанавливается в пределах 0,9 - 0,999.

Уровень защиты от ПУМ возьмем первый. Ему соответствует надежность защиты от ПУМ, равная 0,99.

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

Параметры тока молнии следующие (табл. 2):

1.      Пиковое значение тока I, 200 кА

2.      Полный заряд Qполн, 300 Кл

3.      Заряд в импульсе Qимп, 100 Кл

4.      Удельная энергия W/R, 10 000 кДж / Ом

5.      Средняя крутизна di/dt_30/90%, 200 кА/мкс

Плотность ударов молнии в землю определяется следующей формулой

,    (2)

где Ng - плотность ударов молнии в землю;

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

Параметры первого импульса тока молний (табл. 3):

1.      Максимум тока I, 200 кА

2.      Длительность фронта T1, 10 мкс

3.      Время полуспада Т2, 350 мкс

4.      Заряд в импульсе Qсум,100 Кл

5.      Удельная энергия в импульсе W/R, 10 МДж / Ом

Параметры последовательного импульса тока молний (табл. 4)

1.      Максимум тока I, 50 кА

2.      Длительность фронта Т1, 0,25 мкс

3.      Время полуспада Т2, 100 мкс

4.      Средняя крутизна а, 200 кА/мкс

Параметры длительного тока молнии в промежутке между импульсами (табл. 5):

1.      Заряд Qдл, 200 Кл

2.      Длительность Т, 0,5 с

Форма импульсов тока определяется следующей формулой

,      (3)

где I - максимум тока;

h - коэффициент, корректирующий значение максимума тока;

t - время;

τ1 - постоянная времени для фронта;

τ2 - постоянная времени для спада.

Параметры для расчета формы импульса тока молнии (табл. 6):

1.      для первого импульса

I = 200 кА; h = 0,93; τ1 = 19,0 мкс; τ2 = 485 мкс

i(t) = - 0,5 Кл/с

2.      для последующего импульса

I = 50 кА; h = 0,993; τ1 = 0,454 мкс; τ2 = 143 мкс

i(t) = - 0, 18 Кл/с

3.      Длительный импульс может быть принят прямоугольным со средним током I и длительностью Т, соответствующими данным табл. 5. Средний ток приблизительно равен

2.1 Комплекс средств молниезащиты

Комплекс средств молниезащиты зданий или сооружений включает в себя устройства защиты от прямых ударов молнии (внешняя молниезащитная система - МЗС) и устройства защиты от вторичных воздействий молнии (внутренняя МЗС). В частных случаях молниезащита может содержать только внешние или только внутренние устройства. В общем случае часть токов молнии протекает по элементам внутренней молниезащиты.

Внешняя МЗС может быть изолирована от сооружения (отдельно стоящие молниеотводы - стержневые или тросовые, а также соседние сооружения, выполняющие функции естественных молниеотводов) или может быть установлена на защищаемом сооружении и даже быть его частью.

Внутренние устройства молниезащиты предназначены для ограничения электромагнитных воздействий тока молнии и предотвращения искрений внутри защищаемого объекта.

Токи молнии, попадающие в молниеприемники, отводятся в заземлитель через систему токоотводов (спусков) и растекаются в земле.

2.1.1 Внешняя молниезащитная система

Внешняя МЗС в общем случае состоит из молниеприемников, токоотводов и заземлителей. В случае специального изготовления их материал и сечения должны удовлетворять требованиям табл. 7.

Выбор типа и высоты молниеотводов производится исходя из значений требуемой надежности Рз. Объект считается защищенным, если совокупность всех его молниеотводов обеспечивает надежность защиты не менее Рз.

Во всех случаях система защиты от прямых ударов молнии выбирается так, чтобы максимально использовались естественные молниеотводы, а если обеспечиваемая ими защищенность недостаточна - в комбинации со специально установленными молниеотводами.

2.1.1.1 Зоны защиты одиночного стержневого молниеотвода

Стандартной зоной защиты одиночного стержневого молниеотвода высотой h является круговой конус высотой h0 < h, вершина которого совпадает с вертикальной осью молниеотвода (рис. 13). Габариты зоны определяются двумя параметрами: высотой конуса h0 и радиусом конуса на уровне земли r0.

Приведенные ниже расчетные формулы (табл. 14) пригодны для молниеотводов высотой до 150 м.

Рисунок 13. Зона защиты одиночного стержневого молниеотвода

Для зоны защиты требуемой надежности (рис. 13) радиус горизонтального сечения rх на высоте hx определяется по формуле:

,    (4)

Расчет зоны защиты одиночного стержневого молниеотвода (табл. 8)

Рз = 0,99; h = 150 м; hx = 100 м

h0 = (0,8 - 10-3 (h - 100))*h = (0,8 - 10-3 *50)*150 = 112,5 м

r0 = 0,7 h = 0,7*150 = 105 м

rx = 105*(112,5 - 100)/112,5 = 11,7 м2

2.1.1.2 Зоны защиты одиночного тросового молниеотвода

Стандартные зоны защиты одиночного тросового молниеотвода высотой h ограничены симметричными двускатными поверхностями, образующими в вертикальном сечении равнобедренный треугольник с вершиной на высоте h0 <h и основанием на уровне земли 2r0 (рис. 14).

Приведенные ниже расчетные формулы (табл. 9) пригодны для молниеотводов высотой до 150 м.

Полуширина rx зоны защиты требуемой надежности (рис. 8) на высоте hx от поверхности земли определяется выражением:

,      (5)

2.1.1.3 Зоны защиты двойного стержневого молниеотвода

Молниеотвод считается двойным, когда расстояние между стержневыми молниеприемниками L не превышает предельной величины Lmax. В противном случае оба молниеотвода рассматриваются как одиночные.

Конфигурация вертикальных и горизонтальных сечений стандартных зон защиты двойного стержневого молниеотвода (высотой h и расстоянием L между молниеотводами) представлена на рисунке 15. Построение внешних областей зон двойного молниеотвода (полуконусов с габаритами h0, r0) производится по формулам табл. 8 для одиночных стержневых молниеотводов. Размеры внутренних областей определяются параметрами h0 и hc, первый из которых задает максимальную высоту зоны непосредственно у молниеотводов, а второй - минимальную высоту зоны посередине между молниеотводами. При расстоянии между молниеотводами L ≥ Lc граница зоны не имеет провеса (hc = h0). Для расстояний Lc ≤ L ≥ Lmax высота hc определяется по выражению

,   (6)

Входящие в него предельные расстояния Lmax и Lc вычисляются по эмпирическим формулам табл. 10, пригодным для молниеотводов высотой до 150 м. При большей высоте молниеотводов следует пользоваться специальным программным обеспечением.

Размеры горизонтальных сечений зоны вычисляются по следующим формулам, общим для всех уровней надежности защиты:

максимальная полуширина зоны rx в горизонтальном сечении на высоте hx:

,     (7)

длина горизонтального сечения Lx на высоте hx ≥ hc:

,     (8)

причем при hx < hc Lx = L/2; ширина горизонтального сечения в центре между молниеотводами 2rcx на высоте hx ≤ hc:

,    (10)

2.1.1.4        Зоны защиты двойного тросового молниеотвода

Молниеотвод считается двойным, когда расстояние между тросами L не превышает предельной величины Lmax. В противном случае оба молниеотвода рассматриваются как одиночные.

Конфигурация вертикальных и горизонтальных сечений стандартных зон защиты двойного тросового молниеотвода (высотой h и расстоянием между тросами L) представлена на рис. 16. Построение внешних областей зон (двух односкатных поверхностей с габаритами h0, r0) производится по формулам табл. 9 для одиночных тросовых молниеотводов.

Размеры внутренних областей определяются параметрами h0 и hс, первый из которых задает максимальную высоту зоны непосредственно у тросов, а второй - минимальную высоту зоны посередине между тросами. При расстоянии между тросами L ≤ Lc граница зоны не имеет провеса (hс = h0). Для расстояний Lc ≤L ≥ Lmax высота h определяется по выражению

,       (11)

Входящие в него предельные расстояния Lmax и Lc вычисляются по эмпирическим формулам табл. 11, пригодным для тросов с высотой подвеса до 150 м. При большей высоте молниеотводов следует пользоваться специальным программным обеспечением.

Длина горизонтального сечения зоны защиты на высоте hx определяется по формулам:

при ,          (12)

 при ,          (13)

Для расширения защищаемого объема на зону двойного тросового молниеотвода может быть наложена зона защиты опор, несущих тросы, которая строится как зона двойного стержневого молниеотвода, если расстояние L между опорами меньше Lmax, вычисленного по формулам табл. 10. В противном случае опоры должны рассматриваться как одиночные стержневые молниеотводы.

Когда тросы непараллельны или разновысоки, либо их высота изменяется по длине пролета, для оценки надежности их защиты следует воспользоваться специальным программным обеспечением. Также рекомендуется поступать при больших провесах тросов в пролете, чтобы избежать излишних запасов по надежности защиты.

2.1.1.5 Зоны защиты замкнутого тросового молниеотвода

Расчетные формулы данного подраздела могут использоваться для определения высоты подвеса замкнутого тросового молниеотвода, предназначенного для защиты с требуемой надежностью объектов высотой h0 < 30 м, размещенных на прямоугольной площадке площадью S0 во внутреннем объеме зоны при минимальном горизонтальном смещении между молниеотводом и объектом, равном D (рис. 17). Под высотой подвеса троса подразумевается минимальное расстояние от троса до поверхности земли с учетом возможных провесов в летний сезон.

Для расчета h используется выражение:

,          (14)

в котором константы А и В определяются в зависимости от уровня надежности защиты по следующим формулам:

а) надежность защиты Рз = 0,99

,     (15)

, (16)

Расчетные соотношения справедливы, когда D > 5 м. Работа с меньшими горизонтальными смещениями троса нецелесообразна из-за высокой вероятности обратных перекрытий молнии с троса на защищаемый объект. По экономическим соображениям замкнутые тросовые молниеотводы не рекомендуются, когда требуемая надежность защиты меньше 0,99.

Если высота объекта превышает 30 м, высота замкнутого тросового молниеотвода определяется с помощью программного обеспечения. Также следует поступать для замкнутого контура сложной формы.

После выбора высоты молниеотводов по их зонам защиты рекомендуется проверить фактическую вероятность прорыва компьютерными средствами, а в случае большого запаса по надежности провести корректировку, задавая меньшую высоту молниеотводов.

2.1.2 Защита от вторичных воздействий молнии

Пространство, в котором расположены электрические и электронные системы, должно быть разделено на зоны различной степени защиты. Зоны характеризуются существенным изменением электромагнитных параметров на границах. В общем случае, чем выше номер зоны, тем меньше значения параметров электромагнитных полей, токов и напряжений в пространстве зоны.

Зона 0 - зона, где каждый объект подвержен прямому удару молнии, и поэтому через него может протекать полный ток молнии. В этой области электромагнитное поле имеет максимальное значение.

Зона 0Е - зона, где объекты не подвержены прямому удару молнии, но электромагнитное поле не ослаблено и также имеет максимальное значение.

Зона 1 - зона, где объекты не подвержены прямому удару молнии, и ток во всех проводящих элементах внутри зоны меньше, чем в зоне 0Е; в этой зоне электромагнитное поле может быть ослаблено экранированием.

Общие принципы разделения защищаемого пространства на зоны молниезащиты показаны на рис. 18.

На границах зон должны осуществляться меры по экранированию и соединению всех пересекающих границу металлических элементов и коммуникаций.

Две пространственно разделенные зоны 1 с помощью экранированного соединения могут образовать общую зону (рис. 19).

Экранирование является основным способом уменьшения электромагнитных помех.

Металлическая конструкция строительного сооружения используется или может быть использована в качестве экрана. Эта экранирующая структура образует электромагнитный экран с отверстиями (за счет окон, дверей, вентиляционных отверстий, шага сетки в арматуре, щелей в металлическом фасаде, отверстий для линий электроснабжения и т.п.). Для уменьшения влияния электромагнитных полей все металлические элементы объекта электрически объединяются и соединяются с системой молниезащиты (рис. 20).

Если кабели проходят между соседними объектами, заземлители последних соединяются для увеличения числа параллельных проводников и уменьшения, благодаря этому, токов в кабелях. Такому требованию хорошо удовлетворяет система заземления в виде сетки. Для уменьшения индуцированных помех можно использовать:

внешнее экранирование;

рациональную прокладку кабельных линий;

экранирование линий питания и связи.

Все эти мероприятия могут быть выполнены одновременно.

Соединения металлических элементов необходимы для уменьшения разности потенциалов между ними внутри защищаемого объекта. Соединения находящихся внутри защищаемого пространства и пересекающих границы зон молниезащиты металлических элементов и систем выполняются на границах зон. Осуществлять соединения следует с помощью специальных проводников или зажимов и, когда это необходимо, с помощью устройств защиты от перенапряжений.

Все входящие снаружи в объект проводники соединяются с системой молниезащиты.

Устройство защиты от перенапряжений выбирается выдерживающим часть тока молнии, ограничивающим перенапряжения и обрывающим сопровождающие токи после главных импульсов.

Максимальное перенапряжение Umax на входе в объект координируется с выдерживаемым напряжением системы.

Чтобы значение Umax сводилось к минимуму, линии присоединяются к общей шине проводниками минимальной длины.

Все проводящие элементы, такие как кабельные линии, пересекающие границы зон молниезащиты, соединяются на этих границах. Соединение осуществляется на общей шине, к которой также присоединяются экранирующие и другие металлические элементы (например, корпуса оборудования).

Для контактных зажимов и устройств подавления перенапряжений параметры тока оцениваются в каждом отдельном случае. Максимальное перенапряжение на каждой границе координируется с выдерживаемым напряжением системы. Устройства защиты от перенапряжений на границах различных зон также координируются по энергетическим характеристикам.

Все внутренние проводящие элементы значительных размеров, такие как направляющие лифтов, краны, металлические полы, рамы металлических дверей, трубы, кабельные лотки присоединяются к ближайшей общей шине или другому общему соединительному элементу по кратчайшему пути. Желательны и дополнительные соединения проводящих элементов.

Есть два способа присоединения к заземлителю металлических частей информационных систем, таких как корпуса, оболочки или каркасы: соединения выполняются в виде радиальной системы или в виде сетки.

При использовании радиальной системы все ее металлические части изолируются от заземлителя на всем протяжении кроме единственной точки соединения с ним. Обычно такая система используется для относительно небольших объектов, где все элементы и кабели входят в объект в одной точке.

Радиальная система заземления присоединяется к общей системе заземления только в одной точке. В этом случае все линии и кабели между устройствами оборудования должны прокладываться параллельно образующим звезду проводникам заземления для уменьшения петли индуктивности.

При использовании сетки ее металлические части не изолируются от общей системы заземления (рис. 21). Сетка соединяется с общей системой во многих точках. Обычно сетка используется для протяженных открытых систем, где оборудование связано большим числом различных линий и кабелей и где они входят в объект в различных точках. В этом случае вся система обладает низким сопротивлением на всех частотах.

Обе конфигурации, радиальная и сетка, могут быть объединены в комплексную систему, как показано на рис. 22.

Основная задача заземляющего устройства молниезащиты - отвести как можно большую часть тока молнии (50% и более) в землю. Остальная часть тока растекается по подходящим к зданию коммуникациям (оболочкам кабелей, трубам водоснабжения и т.п.) При этом не возникают опасные напряжения на самом заземлителе. Эта задача выполняется сетчатой системой под зданием и вокруг него.

Арматура бетона внизу фундамента соединяется с системой заземления. Арматура должна образовывать сетку, соединенную с системой заземления обычно через каждые 5 м.

Можно использовать сетку из оцинкованной стали с шириной ячейки обычно 5 м, приваренную или механически прикрепленную к прутьям арматуры обычно через каждый 1 м. Концы проводников сетки могут служить заземляющими проводниками для соединительных полос. На рис. 23 и 24 показан пример сетчатого заземляющего устройства.

Вывод

Проделав данную работу можно с уверенностью сказать, что, для того, чтобы снизить затраты на восстановление зданий и сооружений, магистралей, с/х угодий и прочих экономических комплексов области от негативных последствий гроз, градобитий и молний, необходимо прибегать к определенным мерам:

1.      Мониторинг и прогнозирование направления распространения стихийного бедствия, оценка степени опасности для населения;

2.      Задействование систем оповещения при угрозе для жизни и здоровья людей, организованный и самостоятельных вывод (вывоз) населения из опасных зон; Информирование населения о правилах поведения;

3.      Зашита зданий и сооружений от молний состоит в безопасном заземлении электрических импульсов, т.е. в применении громоотводов;

4.      Для борьбы с градом используют «расстрел» градоопасных облаков снарядами, снаряженными специальными химическими веществами.

Для уменьшения риска последствий опасных и особо опасных явления природы необходимы:

1.      информация об их возможном возникновении (по данным наблюдений и прогнозов);

2.      своевременное доведение этой информации до административных органов, соответствующих уровню необходимых защитных мер;

3.      наличие научно-обоснованных нормативов приемлемого риска;

4.      наличие системы моделирования процесса воздействия опасного природного явления на условия жизни и деятельности людей, оценки ожидаемого ущерба и уровня риска.

Список использованной литературы

1.  «Наука и жизнь», №2, 2007 г.

2.      http://www.rubatech.ru

3.      http://vk.rshu.ru

4.      http://archive.cadmaster.ru

5.      http://www.energame.su/pue2.web/_a-c-e-e.html

6.      http://www.stroing.ru/articles/682

7.      http://www.ecomos.ru/kadr22/terminyMax.asp

8.      http://meteoweb.ru/phenom.php

Страницы: 1, 2