Внешняя молниезащита: общее представление и как быстро отобразить на чертеже

Внешняя молниезащита: общее представление и как быстро отобразить на чертеже

Карточка статьи

Дела в небесной канцелярии, случается, идут не очень — гремит гром, сверкают молнии. Со стороны это может выглядеть даже красиво, однако является весьма опасным предзнаменованием для мнительных людей природным явлением, от которого требуется защищаться.

Почему бьют молнии, природа явления

Воздушные потоки при определенных условиях (разница температур, влажность, столкновение воздушных масс) создают в кучевых облаках статическое атмосферное электричество за счет трения. Возникают области со значительным положительным или отрицательным зарядами. Между двумя областями разноименных зарядов, как внутри самого облака, так и между облаком и землей, возникает ионизированный канал молнии. Когда канал касается земли (или наземного сооружения), по нему начинает идти ток, он разряжается.

Иллюстрированная схема образования молнии

Напряжение молнии может достигать десятков миллионов вольт. Разряд обычно продолжается миллисекунды, а средняя длина достигает трех километров. Скорость молнии 100000­190000 км/с. Сила тока от 2000 до 300000 А. Как вы догадываетесь, при прямом попадании в человека выжить бедняге будет затруднительно. И да, молния может ударить в одно место дважды. Непосредственный контакт канала молнии с объектом на земле (человеком, зданием или сооружением), сопровождающийся протеканием тока через данный объект называется прямым ударом молнии (поражение молнией). Вторичное проявление молнии заключается в наведении потенциалов (занос высокого потенциала) на металлических элементах конструкций и оборудования, в незамкнутых металлических контурах (инженерные коммуникации) при близких разрядами молнии, которое создает опасность искрения внутри объекта.

Отдельно можно упомянуть шаровые молнии — плазмоиды, возникающие в атмосфере в форме шара, способные перемещаться по непредсказуемой траектории. Предположительно возникают в грозовых облаках после обычной молнии, за счет высокочастотных колебаний электромагнитного поля. Но это не точно. Нормативных специальных способов защиты от таковых в настоящее время не предусмотрено. Лучше с ними вообще не встречаться.

Как работает и устроена внешняя молниезащита

Внешняя молниезащита объекта работает по принципу перенаправления в обход этого объекта электрической энергии молнии в землю. Она состоит из следующих функциональных элементов:

• молниеотвод — устройство, перехватывающее разряд молнии: в общем случае состоит из опоры и непосредственно молниеприемника, выполняется из металла (нержавеющая либо оцинкованная сталь, алюминий, медь).
• токоотводы (спуски) — часть молниеотвода, предназначенная для отвода тока молнии от молниеприемника к заземлителю;
• заземлитель — проводящая часть или совокупность соединенных между собой проводящих частей, находящихся в электрическом контакте с землей непосредственно или через проводящую среду и обеспечивающая растекание тока молнии в земле.

В некоторых случаях функции опоры, молниеприёмника и токоотвода совмещаются, например, при использовании в качестве молниеотвода металлических труб или ферм. В качестве заземлителей могут использоваться естественные заземлители — заглубленные в землю металлические и железобетонные конструкции зданий и сооружений, а также искусственные заземлители — специально проложенные в земле контуры и сосредоточенные конструкции из полосовой или круглой стали, состоящие из вертикальных и горизонтальных проводников.

Иллюстрация устройства внешней молниезащиты

Пространство, внутри которого здание или сооружение защищено от прямых ударов молнии с надёжностью не ниже определённого значения называется зоной защиты молниеотвода. Следует помнить, что надёжность в глубине зоны защиты выше, чем на ее поверхности. Регламентируются зоны защиты типа А с надёжностью 99,5 % и выше, а также типа Б — 95 % и выше.

Существуют следующие виды внешней молниезащиты:

• стержневые (вертикальный молниеприемник);
• молниеприемная сеть (многократные горизонтальные молниеприемники, пересекающиеся под прямым углом);
• натянутый молниеприемный трос (тросовые) между опорами.

Виды внешней молниезащиты: а-в — стержневые, г — сетчатый (металлическую сетку, обычно укладывают на крышу), д — тросовая

Примеры устройства молниезащиты на крыше здания: а) молниеприемная сетка, б) больше похоже на тросовую молниезащиту (укладка проводника на небольшом расстоянии от конька)

Если используется единичный вертикальный или тросовый молниеотвод, то говорят об одиночном молниеотводе. Если конструкция выполнена отдельно на удалении от защищаемого объекта, то молниеотвод называется отдельно стоящим. Двойной (многократный) молниеотвод — это два (или более) стержневых и тросовых молниеотвода, образующих общую зону защиты.

Для обеспечения термической устойчивости системы (чтобы не расплавилась) с учетом запаса на коррозию сечение стальных молниеприемников и токоотводящих проводов обычно назначается около 100 мм2. При определении сечения заземлителя необходимо учитывать требования, предъявляемые к заземлителям электроустановок (в зависимости от напряжения электроустановок, максимального тока короткого замыкания и т. д.). В самом общем случае сопротивление заземлителей должно быть не более 10 Ом.

Материал и минимальные сечения элементов внешней молниезащиты (СО 153-34.21.122-2003): не забывайте про коррозию и возможные механические воздействия

Вообще объект считается защищенным, если он целиком попадает в зону защиты молниеприемного устройства, которой присвоен требуемый уровень надежности. Поэтому при использовании сетки, при наличии выступающих над кровлей металлических элементов, следует защищать их отдельными молниеприемниками.

Как проектируется молниезащита, состав проектных документов

Основными нормативными документами по проектированию и изготовлению молниезащиты объектов являются:

• «Правила устройства электроустановок (ПУЭ)» всеми любимые;
• РД 34.21.122-87 «Инструкция по устройству молниезащиты зданий и сооружений»;
• СО 153-34.21.122-2003 «Инструкция по устройству молниезащиты зданий, сооружений и промышленных коммуникаций».

Указанные инструкции имеют равнозначный правовой статус. Допускается применять ведомственные руководства или даже европейский стандарт МЭК (IEC 61024-1-1). Согласно общему правилу: их применение допускается при условии, что расчетные требования этих документов оказываются более жесткими, чем требования инструкций. Также следует иметь в виду, что действующие инструкции распространяются на защиту объектов высотой до 150 м, а, например, МЭК — не более 60 м.

Все здания и сооружения принято делить группы (I, II, III категории) согласно РД в зависимости от значимости объекта, наличия в нем взрывопожароопасных веществ, частоты попадания молний и т. д. Группа определяет необходимые меры молниезащиты. Самый высокий уровень защиты обеспечивает I категория. Согласно инструкции СО объекты делятся по уровням защиты (I, II, III, IVуровни) или по уровням надежности от прямых ударов молнии.

Классификация объекта оказывает, как уже упоминалось, прямое влияние на требуемые технические решения. Например, при устройстве молниеприемной сетки.

Выбор шага ячейки молниприемной сетки (может быть меньше, но не больше)

Существуют случаи, когда дополнительная молниезащита не требуется. В частности, если металлическая кровля является естественным молниеприемником (конечно, электрически связана с землей) и ее толщина достаточна для выполнения функции молниеприемника (например, стальная кровля должна быть не менее 4-х мм).

Исходными данными для разработки технических решений являются: конструктивные и пожарные характеристики проектируемого объекта и его размеры, при наличии взрыво- или пожароопасных зон согласно классификации ПУЭ — расположение и размеры этих зон, а также удельное сопротивление грунта в зоне размещения объекта.

При проектировании может быть выбран любой способ защиты, однако практика показывает целесообразность использования для простых объектов и сооружений — одиночных стержневых молниеприемников, для объектов сложной формы и при наличии перепадов высот — многократных стержневых и/или тросовых молниеприемников. При прочих равных условиях высоту молниеотводов можно снизить, если вместо стержневых конструкций применять тросовые, особенно при их подвеске по внешнему периметру объекта. Применение защитной сетки целесообразно для защиты поверхностей. Также стоит рассматривать комбинированные способы защиты.

МЭК оперирует следующими тремя способами защиты: а) метод защитного угла, б) метод фиктивной сферы, в) защитная сетка. В общем смысл примерно ясен из их названия, но для понимания работы молниезащиты может быть любопытно ознакомиться методом фиктивной сферы.

Определение зоны молниезащиты методом фиктивной сферы (МЭК) для объектов высотой не более 60 м

Разработка выполняется в следующем порядке:

1. определяется грозовая активность в зоне размещения проектируемого объекта по карте ПУЭ или на основании результатов инженерных изысканий;
2. определяется расчетная поражаемость проектируемого объекта молнией по его размерам и показателям грозовой активности местности;
3. определяется категория молниезащиты проектируемого здания или сооружения и тип зоны защиты в зависимости от характеристики объекта и его поражаемости молнией;
4. при необходимости устройства молниезащиты выбирают тип молниезащитного устройства на основании анализа конструкции защищаемого объекта и расположения в нем зон разной категории молниезащиты;
5. при выборе в качестве защитных устройств стержневых или тросовых молниеотводов производят расчет их геометрических размеров: высоты молниеприемников, расстояние установки токоотвода от здания, длина защитных проводников и др.
6. выбирают конструкционные материалы молниеотводов, конструкции опор (при их наличии), а для сеточных молниеприемников определяют размеры сетки;
7. выбирают тип заземлителя (во всех случаях, за исключением использования отдельно стоящего молниеотвода, заземлитель молниезащиты следует совместить с заземлителями электроустановок и средств связи), определяют конструкцию, размеры и материал;
8. принимают решения по вопросам защиты объекта от вторичного воздействия молнии (подробно не рассматриваем, но в общем случае это решения по установке устройств защиты от импульсных перенапряжений (УЗИП) в электроустановки, уравнивание потенциалов конструкций и оборудования, экранирование).

В проектной документации (по 87 ПП РФ) в подразделе «Система электроснабжения» в текстовой части приводится перечень мероприятий по заземлению (занулению) и молниезащите, а в графической — схему заземлений (занулений) и молниезащиты. Последняя довольно часто выполняется в виде схематического плана объекта.

Пример схема заземлений и молниезащиты из проекта автора

В рабочей документации соответствующие чертежи могут включаться в комплекты марок «ЭМ», «ЭОМ», «ЭП» или даже «ЭС», в зависимости от присутствия таковых в техническом задании, сложности объекта, объема детализации технических решений. Существует специализированная марка рабочих чертежей «ЭГ», которая расшифровывается, как «Молниезащита и заземление».

Перечень марок основных комплектов электротехнических рабочих чертежей согласно И1.16-10 «Инструкция о составе и оформлении электротехнической рабочей документации (общие требования и рекомендации)»

В состав комплекта согласно И1.16-10 «Инструкция о составе и оформлении электротехнической рабочей документации (общие требования и рекомендации)» (документ носит рекомендательный характер) включают:

1. общие данные по рабочим чертежам;
2. схемы размещения молниезащитных устройств (планы и разрезы);
3. схемы размещения наружных заземляющих устройств.

В общие указания, дополнительно к информации согласно ГОСТ 21.101, включают:

1. сведения об уточнении проекта;
2. результаты проверочных расчетов молниезащиты и заземления, если получены экспериментальные данные о сопротивлении растеканию тока в земле;
3. сведения о заземлении специальных установок (лабораторных, электронных устройств и т.п.);
4. возможность использования железобетонных и металлических конструкций строительной части зданий и сооружений в качестве заземляющих проводников и естественных заземлителей;
5. перечень видов работ, для которых необходимо составление актов освидетельствования скрытых работ.

Исходя из И1.16-10 изготовление и сооружение молниезащитных устройств и устройств наружного заземления производят по архитектурно-строительным чертежам, разрабатываемым на основании строительных заданий, выдаваемых электротехническими проектными организациями (подразделениями).

Пример выполнения схемы размещения молниезащитного устройства и устройства наружного заземления согласно И1.16-10

Расчет молниезащиты

Рассчитать молниезащиту — означает определить тип защиты, ее зону и параметры, необходимые для устройства.

Основные параметры молниезащиты

Я не буду повторять здесь применяемые формулы, для каждого типа защиты (и их комбинаций) они приводятся в главе 3.3 СО 153-343.21.122-2003 и в Приложении 3 РД 34.21.122-87. В документах указано также много конкретных требований и соображений по различным техническим решениям, которые необходимо учитывать при проектировании. Знакомство с нормативной документацией при задаче проектирования молниезащиты является обязательным. Ну и голову включать, если что-то пропустили, конечно надо. Чтобы не получилось, как у моего сотрудника, который токоотводы любил размещать прямо рядом с выходами из здания. Вероятно, чтобы курящие сотрудники вслед за поэтом полюбили грозу в начале мая.

Приведу пример расчета молниезащиты простого случая для общего понимания.

Условия для расчета молниезащиты сооружения (из методического пособия Шеховцева В. П.)

Пример расчета молниезащиты сооружения (из методического пособия Шеховцева В. П

Результаты расчета в графической форме — зона А защиты двойного тросового молниеотвода одинаковой высоты

Ну и для того, чтобы не считать это все в ручную (да с ошибками) и быстро отобразить на чертеже зону молниезащиты, воспользуемся специальным приложение для САПР КОМПАС «Rubius Electric Suite: МЗ» (RES:МЗ) в составе строительной конфигурации.

Если с ходу открыть приложение в КОМПАС не получится, то следует проверить (подключить) соответствующую библиотеку в настройках конфигурации через ПРИЛОЖЕНИЯ —> КОНФИГУРАТОР. Далее СОСТАВ —> ДОБАВИТЬ ПРИЛОЖЕНИЯ и выбрать файл «LTProtect.rtw». Будет подключен модуль RES: МЗ.

Запустите приложение через СПИСОК НАБОРОВ ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫХ ПАНЕЛЕЙ. Функциональный интерфейс прост и минималистичен.

Интерфейс RES:МЗ в среде КОМПАС

Собственно, вы можете размещать на плане стержневые и тросовые молниеотводы путем выбора соответствующих команд. Нормативный документ, в соответствии с которым должен выполняться расчет, выбирается в параметрах проекта.

Задание параметров расчета зоны молниезащиты

Далее разместим на плане молниеотводы — возьмем конфигурацию из рассмотренного примера. Зададим высоту молниеотводов 22 м в окне ТРОСОВЫЙ МОЛНИЕОТВОД, далее выделим их на плане и выполним команду ГОРИЗОНТАЛЬНОЕ СЕЧЕНИЕ для высоты 10 м (высота защищаемого здания). Далее можно выполнить команду ВЕРТИКАЛЬНОЕ СЕЧЕНИЕ.

Условно разместим тросовые молниеотводы на высоте 22 м

Зададим параметры: а) тросовых молниеотводов; б) построения горизонтального сечения

Результат расчета зоны молниезащиты RES:МЗ: зона молниезащиты; б) вертикальное сечение

Ну что сказать. Как видите, результаты все-таки отличаются (сказал бы, что в сторону ужесточения) — программа не учла совместную работу молниеприемников (не расчитала параметры сходимости). Что еще раз подтверждает правило — пользуясь расчетными комплексами, понимайте то, что считаете и хотите получить. В справке к программе указано, что она строит объединенные контуры молниезащиты и надо сказать, что для стержневых молниеприемников похоже не то.

Но если нам нужно защитить это условное здание, то никто не сможет помешать. Действительно, ведь наши тросы подвешены на металлических опорах, а они сами по себе являются стержневыми молнипремниками. Давайте добавим их на чертеж и заодно выведем расчетную таблицу с параметрами системы.

Результат расчета молниезащиты после добавления стержневых молниеприемников: а) задание стержневых молниеотводов; б) запуск построения горизонтальных сечений; в) результат построения зоны совместной защиты всех молниеприемников

Ну и напоследок

От разрядов молнии каждый год гибнут люди. И часто это довольно глупые случаи, которых можно было бы избежать. Не могу не напомнить, что следует делать, если вдруг рядом разразилась гроза. Конечно, в городе, где сплошь и рядом защищенные молниезащитой здания и сооружения опасность поражения является минимальной. Но ведь всегда что-то может пойти не так.

Если гроза застала вас дома, в помещении — закройте окна и вообще держитесь от них дальше. Не прикасайтесь к металлическим частям инженерных сетей, по возможности не пользуйтесь электроприборами.

На улице — удалитесь от металлических сооружений, высоких деревьев, линий электропередач. Выйдите из водоема, если купаетесь (вода прекрасно проводит электричество). Не звоните по мобильному телефону. Снимите металлические предметы с себя, не держите зонты, удочки

Если едете на личном транспорте — прекратите движение, если разряды бьют рядом. Не паркуйтесь возле высоких металлических конструкций и ЛЭП, от деревьев также стоит держаться подальше.

Всем успехов и не страдать попадать под удар молнии.

Источники, дополнительная информация:

1. Правила устройства электроустановок (ПУЭ)
2. РД 34.21.122-87 «Инструкция по устройству молниезащиты зданий и сооружений»
3. СО 153-34.21.122-2003 «Инструкция по устройству молниезащиты зданий, сооружений и промышленных коммуникаций»
4. И1.16-10 «Инструкция о составе и оформлении электротехнической рабочей документации (общие требования и рекомендации)», взамен: М788-1073 (документ выпущен взамен ВСН 381-85)
5. Шеховцев В. П. Расчет и проектирование схем электроснабжения. Методическое пособие для курсового проектирования. — М.: ФОРУМ: ИНФА-М, 2005. — 214 с., ил

Ознакомиться с содержанием журнала.

Уважаемые коллеги, желаю хорошего дня. Подписывайтесь, чтобы иметь возможность обсудить со мной вашу задачу в комментариях. Буду рад лайку, альтернативному мнению или истории по теме статьи.

ПРЕДУПРЕЖДЕНИЕ №1: Оценки, суждения и предложения по рассматриваемым вопросам являются личным мнением автора.

ПРЕДУПРЕЖДЕНИЕ №2: Техническая информация, представленная на сайте, не является официальной и предоставлена только в целях ознакомления. Владелец сайта не несет никакой ответственности за риски, связанные с использованием информации, полученной из данного источника.

Все изображения, если не указано иное, либо выполнены автором, либо взяты из открытых источников.