Федеральное агентство по образованию Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Федеральное агентство по образованию
Государственное образовательное учреждение высшего
профессионального образования
«УФИМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НЕФТЯНОЙ
ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»
Кафедра прикладной химии и физики
Молниезащита зданий и сооружений
Учебно-методическое пособие
Уфа – 2010
Рассматривается методика и техника расчета молниезащиты
гражданских и промышленных объектов.
Пособие предназначено для проведения практического занятия либо
самостоятельного выполнения расчетно-графической работы (РГР) по
дисциплине «Безопасность жизнедеятельности» студентами всех форм
обучения. Может быть использовано в дипломном проектировании при
решении аналогичных задач.
Составитель
Горелов В. С., доц., канд. техн. наук
Рецензент
Шаймарданов Н. М., доц., канд. техн. наук
© Уфимский государственный нефтяной технический университет, 2010
Согласно действующим нормативным документам [1,2,3] выбор
конструкции и расчет параметров молниезащиты должен производиться на
основе данных о защищаемом объекте (назначения, наличия взрыво- и
пожароопасных зон, огнестойкости и др.) и ожидаемом количестве
поражений молнией в год. Последнее определяется исходя из сведений об
интенсивности
грозовой
деятельности
и
геометрических
размеров
защищаемого объекта.
1 Характеристика интенсивности грозовой деятельности и
молниепоражаемости объекта
Интенсивность
грозовой
деятельности
характеризуется
средним
числом грозовых часов (Пч) в году, определяемым по карте (рисунок 1).
Расчет
ожидаемого
количества
N поражений
молнией
в
год
незащищенного объекта производится по формулам:
 для сосредоточенных зданий и сооружений (дымовые трубы,
вышки, башни)
N = 9πh2n · 10-6;
 для зданий и сооружений прямоугольной формы
N = [(S+6h)(L+6h) – 7,7h2]n · 10-6,
где h – наибольшая высота здания или сооружения, м;
S, L – соответственно, ширина и длина здания или сооружения;
n – среднегодовое число ударов молнии в 1 км2 земной
поверхности, определяемое по таблице 1.
Если здание имеет сложную конфигурацию, то при расчете за S и L
принимают ширину и длину прямоугольника, в который вписывается план
здания.
Таблица 1 – Зависимость среднегодового числа ударов молнии в 1 км2
земной поверхности от интенсивности грозовой деятельности
Интенсивность
грозовой
деятельности
Пч , ч
Среднее число
ударов молнии
в год на 1 км2,
n
10…20
20…40
40…60
60…80
80…100
1
2
4
5,5
7
Рисунок 1 – Карта среднегодовой продолжительности гроз в часах
2 Классификация зданий и сооружений
по устройству молниезащиты
Инструкция по проектированию и устройству молниезащиты [1,2],
исходя из вероятности поражения защищаемого объекта молнией, масштаба
возможных разрушений и ущерба, устанавливает три категории зданий и
сооружений (I, II, III) и два типа (А и Б) зон защиты объектов от прямых
ударов молнии. Зона защиты типа А обеспечивает перехват на пути к
защищаемому объекту не менее 99,5% молний, а типа Б – не менее 95%.
К I категории относят здания и сооружения (или их части), в которых
имеются взрывоопасные зоны классов В-I и В-II согласно Правилам
устройства электроустановок (ПУЭ). В них хранятся или содержатся
постоянно либо появляются во время производственного процесса смеси
газов, паров или пыли горючих веществ с воздухом или иными
окислителями, способные взорваться от электрической искры.
Ко II категории относят здания и сооружения (или их части), в
которых имеются взрывоопасные зоны классов В-Iа, В-Iб, В-IIа согласно
ПУЭ. В таких сооружениях опасные смеси появляются лишь при аварии или
неисправностях в технологическом процессе. К этой же категории
принадлежат наружные технологические установки и открытые склады,
содержащие взрывоопасные газы и пары, горючие и легковоспламеняющиеся
жидкости (газгольдеры, цистерны и резервуары, сливо-наливные эстакады и
т. п.), относимые по ПУЭ к взрывоопасным зонам класса В-Iг.
В III категорию входят:
1) здания и сооружения с пожароопасными зонами классов П-I,
П-II, П-IIа согласно ПУЭ;
2) открытые
склады
твердых
горючих
веществ
и
наружные
технологические установки, в которых применяют или хранят горючие
жидкости с температурой вспышки паров выше 61ºС, относимые по ПУЭ к
классу П-III;
3) здания и сооружения III, IV и V степени огнестойкости, в которых
отсутствуют производства с зонами, относимыми по ПУЭ к классам пожарои взрывоопасным;
4) жилые и общественные здания, возвышающиеся на 25 м и более
над средней высотой окружающих зданий в радиусе 400 м, а также отдельно
стоящие здания высотой более 30 м, удаленные от других зданий на 400 м и
более;
5) общественные
здания
III,
IV
и
V
степени
огнестойкости
следующего назначения: детские сады и ясли, школы и школы-интернаты,
спальные корпуса и столовые санаториев, домов отдыха, лечебные корпуса
больниц, клубы, кинотеатры;
6) здания и сооружения, являющиеся памятниками истории и культуры;
7) дымовые трубы предприятий и котельных, водонапорные и
силосные башни, вышки различного назначения высотой более 15 м.
3 Выбор типа защиты
Различают два рода воздействия молнии: первичное, связанное с
прямым
ударом,
и
вторичное,
вызванное
электромагнитной
и
электростатической индукцией и заносом высоких потенциалов через
металлические коммуникации в сооружения при разряде облака. В
результате этих явлений могут возникать пожары, взрывы, разрушения
конструкций, поражения людей, перенапряжение на проводах электрической
сети.
Для защиты от прямых ударов молнии сооружаются молниеотводы,
принимающие на себя ток молнии и отводящие его в землю. Зона защиты
молниеотвода – это часть пространства, примыкающая к молниеотводу,
внутри которого здание или сооружение защищено от прямых ударов молнии
с определенной степенью надежности. Защитное действие молниеотвода
основано на свойстве молнии поражать наиболее высокие и хорошо
заземленные металлические сооружения. При этом, по мере углубления
внутрь этого пространства степень надежности защиты возрастает.
Защита от электростатической индукции заключается в отводе
индуцируемых
статических
зарядов
в
землю
путем
присоединения
металлического оборудования, расположенного внутри и вне зданий, к
специальному заземлителю или к защитному заземлению электроустановок;
сопротивление заземлителя растеканию тока промышленной частоты должно
быть не более 10 Ом.
Для защиты от электромагнитной индукции между трубопроводами и
другими протяженными металлокоммуникациями в местах их сближения на
расстояние 10 см и менее через каждые 20 м устанавливают (приваривают)
металлические перемычки, по которым наведенные токи перетекают из
одного контура в другой без образования электрических разрядов между
ними.
Защита от заноса высоких потенциалов внутрь зданий обеспечивается
отводом
потенциалов
в
землю
вне
зданий
путем
присоединения
металлокоммуникаций на входе в здания к заземлителям защиты от
электростатической
индукции
или
к
защитным
заземлениям
электроустановок.
Здания и сооружения I категории должны быть обязательно
защищены от прямых ударов молнии, от электрической и электромагнитной
индукции, от заноса высокого потенциала через подземные и наземные
коммуникации. Молниеотводы предусматриваются с зонами защиты типа А.
Здания и сооружения II категории должны быть защищены от прямых
ударов молнии; вторичных ее воздействий и заноса высоких потенциалов по
коммуникациям только в местностях со средней интенсивностью грозовой
деятельности nч ≥10. Тип зоны защиты молниеотводов зависит от показателя
N: тип А берется при N>1, тип Б – при N≤1.
Здания и сооружения III категории подлежат молниезащите в
местностях с грозовой деятельностью 20 ч и более в год, зона защиты
молниеотводов – типа Б, за исключением объектов, указанных в п. 1 и 3. В
них выбор типа зоны зависит от ожидаемого числа поражений молнией: при
0,1<N≤2 принимается тип Б, при N>2 принимается тип А.
Все здания и сооружения III категории защищают от прямых ударов
молнии и заноса высоких потенциалов через наземные металлические
коммуникации. Наружные установки защищают только от прямых ударов
молнии.
4 Конструкции молниеотводов
Молниеотвод
воспринимающего
состоит
удар
из
молнии,
молниеприемника,
токоотвода
(спуска),
непосредственно
соединяющего
молниеприемник с заземлителем, заземлителя, через который ток молнии
стекает в землю. Вертикальную конструкцию (столб или мачту) или часть
сооружения,
предназначенную
для
закрепления
молниеприемника
и
токоотвода, называют опорой молниеотвода.
По типу молниеприемников молниеотводы делят на стержневые,
тросовые и сеточные, укладываемые на защищаемое здание; по числу и
общей зоне защиты – на одиночные, двойные и многократные. Кроме того,
различают
молниеотводы
отдельно
стоящие,
изолированные
и
не
изолированные от защищаемого здания.
Стержневые молниеотводы представляют собой вертикальные стержни
или мачты, тросовые – горизонтальные стальные канаты и провода,
закрепленные на двух и более опорах, по каждой из которых прокладывают
токоотвод
к
отдельному
молниеприемником
служит
заземлителю.
У
металлическая
сеточных
молниеотводов
сетка,
присоединяемая
токоотводом к заземлителю. Чаще используют стержневые молниеотводы.
Для повышения безопасности людей и животных заземлители
размещают в редко посещаемых местах (на газонах, в кустарниках) в
удалении на 5 м и более от основных грунтовых проезжих и пешеходных
дорог, располагают их под асфальтовыми покрытиями или устанавливают
предупреждающие плакаты. Токоотводы размещают в недоступных местах.
5 Расчет и проектирование молниеотводов
При устройстве молниезащиты соблюдают следующие условия:
соответствие типа молниезащиты характеру производственного процесса в
здании или сооружении, возможность типизации конструктивных элементов
молниезащиты, надежность действия всех элементов молниезащиты и их
«равнопрочность», большой срок службы (10 лет и более), возможность
применения недорогостоящих материалов и использование конструктивных
элементов здания и сооружения, наглядность монтажа, предупредительные и
воспрещающие знаки или ограждения, доступ ко всем элементам при
контроле, восстановлении или ремонте.
Кроме того, при устройстве молниезащиты зданий и сооружений
любой категории учитывают возможность экранирования их зонами защиты
молниеотводов других близко расположенных зданий и сооружений. При
этом максимально используют естественные молниеотводы (вытяжные
трубы, водонапорные башни, дымовые трубы, линии электропередачи и
другие возвышающиеся сооружения).
Ниже
приведены
методики
расчета
молниеотводов
разных
конструкций высотой до 150 м.
Одиночный стержневой молниеотвод. Зона его защиты представляет
собой конус (рисунок 2), вершина которого находится на высоте h0<h,
основание образует круг радиусом R0. Горизонтальное сечение зоны защиты
на высоте защищаемого уровня сооружения hx представляет собой круг
радиусом Rx. Эти величины составят:
 для зоны типа А
h0 = 0,85h; R0 = (1,1 - 0,002h)h;
Rx = (1,1 - 0,002h)(h - hx/0,85);
 для зоны типа Б
h0 = 0,92h; R0 = 1,5h; Rx = 1,5(h - hx/0,92),
где Rx и hx определяют по закону подобия треугольников.
Для зоны типа Б высоту молниеотвода при известных величинах hx и Rx
устанавливают по формуле:
h = (Rx + 1,63hx)/1,5.
Рисунок 2 – Зона защиты одиночного стержневого молниеотвода
1 – граница зоны защиты на уровне hx; 2 – то же на уровне земли
Двойной стержневой молниеотвод (рисунок 3). Торцевые части зоны
защиты определяют как зоны одиночных стержневых молниеотводов.
Значение h0, R0, Rx1 и Rx2 расчитывают по выше приведенным формулам для
обоих типов зон защиты.
Внутренние области зон защиты имеют следующие габаритные
размеры:
 зона типа А:
при L ≤ h
hc = h0; Rc = R0; Rcx = Rx;
при h < L ≤ 2h
hc = h0-(0,17 + 310-4h)(L - h);
Rc = R0; Rcx = R0(hc - hx)/ hc;
при 2h < L ≤ 4h


hc  h0  0,17  3  10 4 h L  h ;
 0,2L  2h  ;
Rc  R0 1 

h

Rcx  Rc hc  hx  / hc ;
 зона типа Б:
при L ≤ h
hc = h0; Rcx = Rx; Rc = R0;
при h < L ≤ 6h,
hc = h0 - 0,14(L - h);
Rc = R0; Rcx = R0(hc - hx)/ hc;
При больших расстояниях молниеотводы следует рассматривать как
одиночные.
При известных hc, L и Rcx = 0 высоту молниеотвода для зоны типа Б
определяют по формуле:
h = (hc + 0,14L)/1,06.
Рисунок 3 – Зона защиты двойного стержневого молниеотвода
1 – граница зоны защиты на уровне hx1; 2 – то же на уровне hx2,
3 – то же на уровне земли
Двойной стержневой молниеотвод разной высоты (рисунок 4).
Торцевые части также представляют собой
зоны защиты одиночных
стержневых молниеотводов соответствующей высоты, а h01, h02, R01, R02, Rx1,
Rx2 определяют как для одиночного молниеотвода обоих типов зон.
Rcx = R0(hc - hx)/hc;
Rc= (R01 + R02)/2;
hc = (hc1 + hc2)/2,
где hc1 и hc2 для обоих типов зон защиты вычисляют по формулам для
двойного стержневого молниеотвода.
Рисунок 4 – Зона защиты одиночного стержневого молниеотвода
1 – граница зоны защиты на уровне земли;
2 – граница зоны защиты на уровне hx
Для разновысокого двойного стерженового молниеотвода зона защиты
типа А существует при L ≤ 4hmin, типа Б – при L ≤ 6hmin.
Одиночный тросовый молниеотвод. Зона его защиты приведена на
рисунке 5, где h – расстояние по высоте до троса в точке наибольшего
провеса.
С учетом стрелы провеса при известной высоте опор hоп и длине
пролета а < 120 м высота до троса h = hоп - 2 м, а при а=120...150 h = hоп - 3 м.
Зоны защиты одиночных тросовых молниеотводов имеют следующие
размеры.
Для зоны типа А:
h0 = 0,85h; R0 = (1,35 - 0,0025h)h;
Rx = (1,35 - 0,0025h)(h - hx/0,85).
Для типа Б:
h0 = 0,92h;
R0 = 1,7h ;
Rх = 1,7(h - hx/0,92).
Для зоны типа Б высота одиночного тросового молниеотвода при
известных hx и Rx равна h = (Rx + 1,85hx)/1,7.
Рисунок 5 – Зона защиты одиночного тросового молниеотвода
1 – граница зоны защиты на уровне земли;
2 – граница зоны защиты на уровне hx
6 Пример расчета
Рассчитать высоту отдельно стоящего стержневого молниеотвода для
защиты от прямых ударов молнии здания склада лакокрасочных материалов
(ЛКМ) предприятия.
Здание расположено в Республике Башкортостан, имеет размеры:
L = 27 м; S = 18 м; h = 6 м.
Расчеты ведем в следующем порядке.
1. Определяем по классификации ПУЭ класс взрывопожароопасной
зоны
для
склада
ЛКМ.
ЛКМ
обычно
изготовляются
на
основе
легковоспламеняющихся жидкостей и склад является взрывоопасной зоной.
Однако ЛКМ поступают и хранятся на складе в герметичной таре.
Образование взрывоопасных смесей в здании склада возможно в случае
неисправной тары. Следовательно, склад ЛКМ по классификации ПУЭ
относится к классу В-1а.
2. Определяем требуемую категорию устройства защиты склада ЛКМ
от воздействия атмосферного электричества. Согласно п.2 здания и
сооружения, в которых имеются взрывоопасные зоны класса В-1а, относятся
ко II категории защиты и должны быть защищены от всех четырех опасных
факторов атмосферного электричества.
3. Определяем требуемый тип защиты для склада ЛКМ.
По карте среднегодовой продолжительности гроз (рисунок 1) находим,
что интенсивность грозовой деятельности на территории РБ составляет
40…60 ч в год. Согласно таблице 1 такой интенсивности соответствует
среднегодовое число ударов молнии, приходящееся на 1 км2 площади, равное
n = 4. Ожидаемое число поражений склада ЛКМ молнией в течение года при
отсутствии молниеотвода определяется по формуле:
N  ( S  6h)  ( L  6h)  n  10 6.
Подставляя известные данные, получаем:
N  (18  6  6)  (27  6  6)  4  10 6  0,014 .
Так как N<1, то принимаем зону защиты типа Б.
4. Выписываем геометрические размеры зоны защиты типа Б:
h0  0,92  hм ; rо = 1,5hм; rх = 1,5(hм - hх/0,92),
где hо – высота конуса зоны защиты; hм – высота стержневого молниеотвода;
rх – радиус зоны защиты на уровне земли; rо – радиус зоны защиты на высоте
защищаемого объекта; hх – высота защищаемого объекта.
5. Определяем радиус rо зоны защиты на высоте объекта, используя
графический метод. Наносим в выбранном масштабе на лист бумаги план
склада ЛКМ (вид сверху). Выбираем и наносим на схему точку установки
молниеотвода (для объектов II категории расстояние между молниеотводом и
защищаемым объектом не нормируется). Считая эту точку центром,
описываем окружность такого радиуса, чтобы защищаемый объект (склад
ЛКМ) вписался в нее. Снимаем со схемы значение радиуса rх; r = 27,5 м.
Рисунок 6 – К расчету высоты отдельно стоящего стержневого
молниеотвода
1 – защищаемый объект; 2 – место установки молниеотвода
6. Определяем высоту молниеотвода:
hм = (rх + 1,63hх)/1,5; hм = 25 м
7. Определяем другие размеры зоны защиты:
ho = 22,8 м; rх = 37,3 м
8. Строим на схеме зону защиты (вид сбоку) и проверяем графически
вписываемость объекта здания склада в зону защиты по высоте.
Библиографический список
1
РД 34.21.122 – 87. Инструкция по устройству молниезащиты зданий и
сооружений.
2
СО 153 – 34.21.122 – 2003. Инструкция по молниезащите зданий,
сооружений и промышленных коммуникаций.
3
Пособие к «Инструкции по устройству молниезащиты зданий и
сооружений» (РД 34.21.122 – 87).