В момент прямого удара молнии в строительный объект правильно спроектированное и сооруженное молниезащитное устройство должно принять на себя ток молнии и отвести его в землю. Прохождение тока молнии должно произойти без ущерба для защищаемого объекта и быть безопасным для людей, находящихся как внутри, так и снаружи этого объекта.
Пример молниезащитного устройства на типовом отдельно стоящем строительном объекте
В настоящее время появляются требования создать с помощью молниезащитных устройств условия, обеспечивающие безаварийное функционирование электрических и электронных устройств, работающих в защищаемых объектах.
В таких случаях, оценивая возможную опасность и подбирая средства защиты, необходимо обратить внимание на устройства, размещенные в местах, особенно подверженных прямому воздействию токов молнии, например на крыше или стенах строительного объекта.
Недопустимость непосредственного воздействия тока молнии на эти устройства должна быть одним из основных требований при создании системы молниезащиты на строительном объекте.
Основные нормативные требования
Анализируя опасность, которую создает прямое попадание молнии в строительный объект, необходимо обратить особенное внимание на надстройки, устройства и электропроводящие элементы на крыше этого объекта. Поступая в соответствии с требованиями, представленными в нормах [1] следует:
- соединить все металлические элементы (например, дымоходы, вытяжки, ограждения) с ближайшим молниеприемником или токоотводом;
- оборудовать молниеприемниками все непроводящие строительные элементы, находящиеся над поверхностью крыши.
Представленное решение отвечает также требованиям норм [2, 3, 4], действующих в настоящее время. Дополнительно в этих нормах точно определены принципы защиты различных видов крышевых надстроек. От прямого воздействия тока молнии должны быть защищены надстройки:
- не содержащие электропроводящие элементы;
- содержащие электрическое оборудование или оборудование, служащее для обработки информации.
Надстройки должны находиться в защищенном пространстве, образованном вертикальными или горизонтальными молниеприемниками. Также необходимо сохранять соответствующие безопасные расстояния между ними и молниеприемниками, а также токоотводами.
Если вышеуказанные требования не будут выполнены, то прямой удар молнии в надстройку приведет к разрушению:
- самой надстройки, а также установленных внутри нее электрических и электронных устройств;
- устройств, расположенных внутри строительного объекта.
Требования к размещению в защищенном пространстве не касаются надстроек, не содержащих электропроводящие элементы [3], которые:
- не превышают высоту 1 м и 1 м2 общей площади – металлические надстройки,
- не выступают выше 1 м над поверхностью, образованной молниеприемниками, – надстройки, не проводящие электрического тока.
Защитой от прямого воздействия тока молнии должны быть также охвачены устройства и конструктивные элементы на крышах объектов, к которым подсоединена проводка, разведенная внутри объекта. В таких случаях молниезащитное устройство должно:
- обеспечить соответствующее защищенное пространство для устройств и установок на крыше объекта;
- исключить возможность возникновения искровых разрядов между электропроводящими элементами;
- устранить разницу потенциалов между электропроводящими элементами на крыше и внутри объекта;
- обеспечить защиту перед перенапряжениями электрических и электронных устройств.
Часть упомянутых требований можно выполнить, применяя соответственно подобранные системы из вертикальных или горизонтальных молниеприемников.
Отдельно стоящие вертикальные токоприемники
Основным способом защиты от прямого удара молнии является размещение устройств или установок в защищенном пространстве, образованном отдельно стоящими вертикальными токоприемниками. Проектирование и сооружение одиночных вертикальных приемников или систем таких приемников должно быть реализовано в соответствии с требованиями, вытекающими из выбранного уровня молниезащиты анализируемого объекта.
Определяя размер защищаемого пространства, образуемого отдельным молниеприемником или несколькими молниеприемниками, необходимо принимать во внимание требования, касающиеся:
- защитных углов;
- безопасных расстояний, делающих невозможным возникновение искровых разрядов между защищаемыми устройствами и молниеприемниками, элементами молниезащитной инсталляции или конструктивными элементами объекта, используемыми для целей молниезащиты.
Кроме того, вертикальный молниеприемник должен быть размещен на таком расстоянии от защищаемого устройства, которое сделает невозможным возникновение искровых разрядов. Оценивая возможность возникновения искровых разрядов, следует принять во внимание следующие факторы:
- параметры тока молнии;
- тип изолирующего материала между электродами;
- распределение тока в строительном объекте;
- расстояние от места сближения, в котором может произойти искровой разряд, до ближайшего уравнивающего соединения или до земли, измеренное вдоль проводника, в котором течет ток молнии.
Требования действующих норм молниезащиты устанавливают зависимости значений защитных углов от уровней защиты, требующихся для рассматриваемого объекта и высоты молниеприемника (табл. 1).
Таблица 1. Защитные углы и безопасные расстояния в зависимости от требуемого уровня защиты и высоты приемника
В некоторых случаях, определяя защитное пространство, созданное одиночным вертикальным приемником, следует принять во внимание несколько защитных углов.
В примере, представленном на рисунке, для определения защитной зоны, созданной приемником, размещенным на крыше строительного объекта, следует принять:
- угол
на крыше объекта – величина, зависящая от высоты приемника; - угол
рядом с объектом – подобран с учетом суммы высот объекта и приемника.
Можно также определить защитную зону, используя метод катящегося по крыше шара. Величина радиуса шара зависит от требуемого уровня молниезащиты и составляет соответственно 20, 30, 45 и 60 м для I, II, III, IV уровней молниезащиты. При перекатывании шара по крыше принимается, что точки касания катящегося шара подвержены опасности прямого попадания молнии.
 |
 |
Защитная зона, созданная одиночным вертикальным молниеприемником |
Молниеприемники на крыше строительного объекта |
Молниеприемники высотой до трех метров
Применение одиночного молниеприемника или системы приемников высотой в несколько метров является одним из чаще всего используемых решений для охраны небольших сооружений или устройств на крышах строительных объектов. Создаваемая система защиты проста и легка для исполнения. Типовой вертикальный молниеприемник состоит из металлического стержня диаметром 10–16 мм, закрепленного на бетонной опоре. Стержень необходимо соединить с ближайшим элементом молниезащитной инсталляции. Пример защиты, созданной отдельным вертикальным приемником или системой двух приемников, представлен на рис. 3.
Определяя защитную зону в системе двух вертикальных приемников, следует установить самую низкую точку касания шара (ближайшую к защищаемому устройству), называемую также стрелой прогиба p. Значение p, расстояния между вертикальными приемниками d, а также радиуса шара R определяет зависимость:
Изменение значения p как функции от расстояния d между молниеприемниками и класса защиты (различных значений радиуса R) представлено на рисунке.
Для того чтобы обеспечить стабильность вертикальных приемников, требуется учитывать опасность, создаваемую порывами ветра. Для предварительного подбора размеров и веса бетонных опор можно использовать данные, представленные в табл. 2 [5].
Таблица 2. Основные размеры бетонных опор в зависимости от высоты вертикального приемника (скорость ветра – до 150 км/ч)
Если для данной высоты молниеприемника вес одиночной бетонной опоры меньше рекомендуемого, то можно применять нагрузку, состоящую из двух частей. Если для отвода тока молнии используется металлическое покрытие крыши, то основание вертикального приемника можно крепить непосредственно к покрытию.
Молниезащита более крупных надстроек или устройств может потребовать применения системы, состоящей из нескольких приемников.
Создавая такую систему, следует определить защитную зону и сохранить требуемые расстояния между защищаемой надстройкой и элементами системы приемников.
Молниеприемники высотой более трех метров
 |
 |
 |
Крепление молниеприемников различной высоты к бетонным опорам |
Примеры молниеприемников, прикрепленных к защищаемым объектам |
Если применение одиночного приемника или системы вертикальных приемников высотой до 3 м не удовлетворяет требованиям защищаемого пространства или трудно для реализации, то следует рассмотреть возможность применения более высоких приемников, которые требуют конструктивно более сложных и тяжелых опор, а часто и дополнительных оттяжек.
Представленная система оттяжек и примененная опора дают возможность крепить молниеприемники высотой до 8 м.
Вертикальные молниеприемники, крепящиеся к устройствам или элементам конструкции
Другим решением, которое обеспечивает увеличение стабильности вертикального молниеприемника, а также не требует расширения и утяжеления опоры, является применение вертикальных приемников, монтируемых к защищаемым объектам.
Крепление приемников к проводящим элементам поверхности крыши
Такие приемники можно крепить как к крышевым надстройкам, так и к отдельным устройствам. Чаще всего применяемые системы складываются из:
- вертикального приемника, прикрепленного к бетонной опоре и, с помощью изоляционных дистанцирующих элементов, к защищаемому объекту;
- вертикального приемника, прикрепленного с помощью дистанцирующих элементов только к защищаемому объекту;
- вертикального приемника, присоединенного к изоляционной трубе, прикрепленной к защищаемому объекту.
В последнем случае от молниеприемника отходит токоотвод. Безопасное расстояние между токоотводом и защищаемым объектом обеспечивают подобранные соответствующим образом дистанцирующие элементы.
Правильно выполненное крепление увеличивает стабильность системы и делает возможным поднятие приемника на высоту 3–4 м над защищаемым объектом. Представленные примеры касаются защиты надстроек на плоских крышах.
Аналогичные принципы защиты нужно применять на одно- и двухскатных крышах. В типовом строительном объекте это относится чаще всего к трубам и антеннам.
Для молниезащиты труб из изоляционных материалов следует применять вертикальные или так называемые кольцевые приемники. Высота вертикального приемника должна обеспечить защиту трубы от прямого попадания молнии – труба должна находиться в защищаемом пространстве приемника.
 |
 |
Примеры защиты печных труб
Трубы газовых или масляных печей с электронным управлением также рекомендуется обеспечить защитой от прямого удара молнии. Добиваемся такой защиты, размещая трубу в защищенном пространстве, созданном одиночным молниеприемником или системой молниеприемников, отодвинутых на расстояние, обеспечивающее исключение искровых разрядов.
Защита трубы печи с электронным управлением от прямого удара молнии и от искрового перекрытия
Заключение
Обеспечение безаварийного функционирования электронных устройств может потребовать применения новых решений при создании комплекса молниезащитной инсталляции. Особенно это касается устройств, установленных на крышах строительных объектов. Они подвержены угрозе прямого удара молнии, и требования исключить эту возможность предъявляются все чаще. Выполнение этих требований можно осуществить, применяя соответствующим образом подобранные системы молниеприемников и вводя ограничение перенапряжений, доходящих до защищаемых устройств от электрической инсталляции, а также от линий передачи сигналов.
Если создание молниезащиты, устраняющей прямое воздействие тока молнии на устройства, установленные на крыше объекта, невозможно, то можно применить одно из ниже представленных решений:
- в электропроводящих инсталляциях, через которые ток может дойти до объекта (например, трубы систем климатизации и вентиляции), следует использовать изоляционные элементы, длина которых (или толщина) по крайней мере в два раза больше требуемых изоляционных расстояний;
- в местах сближения молниезащитной инсталляции и защищаемого устройства или системы следует использовать уравнивающие соединения непосредственно или с помощью разрядника.
Защиту от прямого воздействия тока молнии следует также распространить на устройства, установленные на стенах строительного объекта.
Анджей Сова
Литература
- National Lithuania standard.
- IEC 61024-1, Part 1: Protection of structures against lightning, General principle.
- IEC 61024-1-2 Ed.1.0 Protection of structures against lightning, Section 2: Guide B – Design, installation, maintenance and inspection of lightning protection Systems.
- IEC 61312-1 Protection against lightning electromagnetic impulse (LEMP) Part 1: General principles.
- IEC 62305-3. Ed. 1: Protection against lightning – Part 3: Physical damage to structures and life hazard.