Захист від атмосферної електрики (блискавки)

 

Блискавкозахист — це система захисних пристроїв та заходів, що призначені для забезпечення безпеки людей, збереження будівель та споруд, устаткування та матеріалів від можливих вибухів, займань та руйнувань, спричинених блискавкою.

Блискавка — особливий вид проходження електричного струму через величезні повітряні прошарки, джерелом якого є атмосферний заряд, накопичений грозовою хмарою. Умови утворення таких хмар - - велика вологість та швидка зміна температури повітря. За таких умов у атмосфері Землі проходять складні фізичні процеси, які призводять до утворення та накопичення електричних зарядів. При підвищенні напруженості електричного поля до критичних значень виникає розряд, який супроводжується яскравим свіченням (блискавкою) та звуком (громом). Довжина каналу блискавки може досягати кількох кілометрів, сила струму — 200 000 А, напруга — 150 000 кВ, а температура — 10 000 °С і більше. Час існування блискавки 0,1—1 с. Щосекунди земну кулю уражають в середньому більше 100 блискавок.

Розрізняють первинні (прямий удар) і вторинні прояви блискавки.

Прямий удар блискавки (ураження блискавкою) - безпосередній контакт каналу блискавки з будівлею чи спорудою, що супроводжується протіканням через неї струму блискавки. Прямий удар блискавки здійснює на уражений об'єкт наступні дії: електричну, що пов'язана з ураженням людей і тварин електричним струмом та виникненням перенапруг на елементах, по яких струм відводиться в землю; теплову, що зумовлена значним виділенням теплоти на шляхах проходження струму блискавки через об'єкт; механічну, що спричинена ударною хвилею, яка поширюється від каналу блискавки, а також електродинамічними силами, що виникають у конструкціях, через які проходить струм блискавки.

Під вторинними проявами блискавки розуміють явища під час близьких розрядів блискавки, що супроводжуються появою потенціалів на конструкціях, трубопроводах, електропроводах всередині будівель і споруд, які не зазнали прямого удару блискавки. Вони виникають внаслідок електростатичної та електромагнітної індукції.

Електростатична індукція проявляється у наведені потенціалів на металевих елементах конструкції, в незамкнутих металевих контурах, що може викликати іскріння всередині будівель та споруд і тим самим ініціювати пожежу чи вибух.

Електромагнітна індукція супроводжуються появою в просторі змінного магнітного поля, яке індукує в металевих контурах, що утворені із різних протяжних комунікацій (трубопроводів, електропроводів і т. п.) електрорушійну силу (ЕРС).

У замкнутих контурах ЕРС призводить до появи наведених струмів. У контурах, в яких контакти недостатньо надійні в місцях з'єднання, такі струми можуть викликати іскріння або сильне нагрівання, що дуже небезпечно для приміщень, де утворюються вибухо- та (або) пожежонебезпечні концентрації.

Ще однією особливістю вторинного прояву блискавки є занесення високих потенціалів у будівлю по металоконструкціях, які підведені в цю будівлю (трубо­проводах, рейкових шляхах, естакадах, проводах ліній електропередач і т. п.). Такі занесення супроводжуються електричними розрядами, які можуть стати джерелом вибуху чи пожежі.

Захист об'єктів від прямих ударів блискавки забезпечується шляхом встанов­лення блискавковідводів. Захист від електростатичної індукції (вторинний прояв блискавки) здійснюється приєднанням устаткування до заземлювача для відведення електростатичних зарядів, індукованих блискавкою, в землю. Захист від електро­магнітної індукції полягає у встановленні методом зварювання перемичок між протяжними металоконструкціями в місцях їхнього зближення менше ніж на 10 см. Інтервал між перемичками повинен становити не більше 20 м. Це дає змогу наведеному струму блискавки переходити з одного контуру в інший без утворення електричних розрядів. Захист від занесення високих потенціалів у будівлю здійснюється шляхом приєднання до заземлювача металоконструкцій перед їх введенням у будівлю.

 

Рис. 3.35. Блискавковідводи:

а—стержневий; б—тросовий; е—сітчастий; 1 — блискавкоприймач; 2 — несівна опора (поверхня); 3 — струмовідвід; 4 — заземлювач

 

Принципи блискавкозахисту об’єктів та методи розрахунку зони блискавкозахисту вказуються в ДСТУ Б В.2.5-38:2008 (IEС 62305:2006, NEQ) «Інженерне обладнання будинків і споруд. Улаштування блискавкозахисту будівель і споруд»

Конструктивні особливості блискавковідводів

Блискавковідвід, — пристрій, який сприймає удар блискавки і відводить її струм в землю. Блискавковідвід, що стоїть окремо – блискавковідвід, розташований таким чином, що шлях струму блискавки не має контакту з об’єктом, який він захищає.

Блискавковідводи складаються з блискавкоприймача на опорі, струмовідводу та заземлювача. З’єднання цих окремих частин блискавковідводу слід виконувати лише зварюванням і як виключення – для ІІІ рівня захисту допускається болтове зєднання.

Опори стрижньових блискавковідводів розраховуються на вітрове навантаження як вільностоячі конструкції, а опори тросових блискавковідводів – з урахуванням натягу троса і дії на нього навантаження вітру та ожеледиці. Їх можна виконувати зі сталі будь-якої марки, залізобетону або дерева відповідно до проведених розрахунків.

Блискавкоприймач — частина блискавковідводу, призначена для перехоплення блискавок. Блискавкоприймачі можуть бути спеціально встановленими, у тому числі на об'єкті, або їх функції виконують конструктивні елементи об’єкта, що захищається; в останньому випадку вони називаються природними блискавкоприймачами.

Для звичайних об’єктів в якості природних блискавкоприймачів можуть розглядатися конструктивні елементи будівель і споруд (металеві покрівлі захищуваних об'єктів, металеві конструкції даху, металеві елементи типу водостічних труб чи прикрас, металеві огорожі по краю даху, технологічні металеві труби і резервуари) при умові, що їх переріз не менший від значень, визначених для звичайних блискавкоприймачів.

Спеціально встановлені блискавкоприймачі можуть складатися з довільної комбінації таких елементів: стрижнів, натягнутих дротів (тросів), сітчастих провідників (сіток). У разі спеціального виготовлення їх матеріал і розміри повинні задовольняти вимогам табл. 1

Таблиця 1- Матеріал і мінімальні перерізи блискавкоприймачів

Рівень захисту	Матеріал	Переріз блискавкоприймача, мм^2
I-IV	Сталь
I-IV	Алюміній
I-IV	Мідь

Вказані значення можуть бути збільшені в залежності від підвищеної корозії або механічних дій. Довжина блискавкоприймача має бути не меншою від 200 мм. Його захищають від корозії оцинкуванням, лудінням і т.п.

При влаштуванні тросового захисту переріз троса складає не менше 35 мм²

Струмовідвід — частина блискавковідводу, призначена для відведення струму блискавки від блискавкоприймача до заземлювача. Виконується зі сталевого дроту круглого січення з мінімальним перерізом 50 мм², діаметром не менше 8 мм або прямокутним профілем розміром 4 х 12 мм.

Заземлювач — провідна частина або сукупність з’єднаних між собою провідних частин, які перебувають в електричному контакті з землею безпосередньо або через проміжне провідне середовище, наприклад, бетон.

 

Класифікація та рівень блискавкозахисту об’єктів.

Класифікація об'єктів визначається за небезпекою ударів блискавки для самого об’єкта і його оточення. Рівень цієї небезпеки визначається класи­фікацією, яка наведена в правилах улаштування електроустановок (ПУЕ).

Необхідність виконання блискавкозахисту об’єкта від ПУБ і його РБЗ визначаються за таблицею Додатка 1 в залежності від можливо очікуваної кількості уражень об’єкта блискавкою за рік N і суспільного значення і тяжкості наслідків від дії блискавки.

Щодо блискавкозахисту об'єкти поділяються на звичайні та спеціальні.

Звичайні об'єкти (промислові підприємства, тваринницькі і птахівничі будівлі і споруди, житлові і адміністративні будівлі, універмаги, банки, страхові компанії, дошкільні установи, школи, лікарні, притулки для старих, музеї і археологічні пам’ятники, спортивні споруди тощо).

Спеціальні об'єкти – це об'єкти, що становлять небезпеку для безпосеред­нього оточення (нафтопереробні підприємства, заправні станції, підприємства з виробництвом і зберіганням вибухових речовин), об'єкти, що становлять небезпеку для екології (хімічні заводи, атомні електростанції, біохімічні фабрики і лабораторії), об'єкти з обмеженою небезпекою (пожежонебезпечні підприємства, електростанції, підстанції і лінії електропередавання, засоби зв’язку), будови висотою вище 60 м, об'єкти, що будуються

Головний чинник, що визначає блискавкозахист – характеристика місце­вості за грозовою діяльністю. Вона залежить від рельєфу, клімату, характери­тик грунту, рослинності і т.д. Для розрахунку блискавкозахисту треба мати дані про грозову активність у районі розміщення об’єкта. Такі дані можна отримати на метеостанціях. Дані наводяться в кількості годин грозової активності в рік (n), а від цієї активності залежить кількість уражень блискавкою 1 кв.км поверхні. Якщо дані спостережень на метеостанції відсутні, n в 1/(км²рік) може бути приблизно розраховано за формулою

n = (6,7 × Т_гр) /100, [1]

де Т_гр - середня тривалість гроз у годинах, визначена за картами інтенсивності грозової діяльності (Додаток 2) або за середніми багаторічними (не менш 10 р.) даними метеостанції, найближчої до місця знаходження об’єкта.

За цими даними визначають очікувану кількість ударів блискавки за рік по об’єкту

- прямокутної форми шириною S довжиною L і висотою h_об

N= [(S + 6 × h_об)× (L + 6 × h_об) – 7,7× h_об² ] × n × 10^-6 [2]

- для зосередженого висотного об’єкту (башта, труба, вишка) висотою

N= 9π× h_об² × n × 10^-6 [3]

- для протяжного об’єкта довжиною L (лінії електропередавання, зв’язку і т.п)

N= 6 × L × h_об × n × 10^-6, [4]

В залежності від класифікації споруди за ПУЕ та від кількості очікуваних ударів блискавкою N вибирають тип зони та рівень блискавкозахисту об’єкту (Табл. 1 Додатку).

ДСТУ Б В.2.5-38:2008 визначають чотири рівні блискавкозахисту об’єктів

І та ІІ – об’єкти, які треба захищати від прямих ударів, вторинних проявів та занесення високого потенціалу через надземні і підземні комунікації

ІІІ категорія – будинки і споруди, які треба захищати від прямого удару та занесення високого потенціалу через надземні і наземні комунікації.

Надійність захисту від прямого удару блискавки (Р_з) слід приймати:

0,99 ÷ 0,999 – для об’єктів І рівня блискавкозахисту;

0,95 ÷ 0,99 – для об’єктів ІІ рівня блискавкозахисту;

0,9 ÷ 0,95 – для об’єктів ІІІ рівня блискавкозахисту;

не нижче ніж 0,85 – для об’єктів ІV рівня блискавкозахисту

 

 

Розрахунок зони захисту одиничного стрижньового блискавковідводу

Стандартною зоною захисту одиничного стрижньового блискавковідводу висотою h є круговий конус висотою h_о < h, вершина якого співпадає з вертикальною віссю блискавковідводу. Габарити зони визначаються двома параметрами: висотою конуса h_о і радіусом конуса на рівні землі r_о (рис 1).

Рис 1. Зона захисту одиничного стрижньового блискавковідводу:

а) – розміщеного на перетині діагоналей покрівлі будинку; б) розміщеного поза будівлею

З рисунку видно, що блискавковідвід, розміщений посередині будівлі, більш ефективно захищає її від ПУБ

h – висота блискавковідводу, м

h_о – максимальна висота зони захисту безпосередньо біля блискавковідводу, м

h_х – висота зони захисту об’єкта (максимальна висота будівлі), м

r_о – радіус конуса захисту на поверхні землі, м

r_х – радіус зони захисту в горизонтальному перерізі на висоті h _x

Наведені нижче розрахункові формули (табл. 2) придатні для блискавковідводів висотою до 150 м. При більш високих блискавковідводах слід користуватися спеціальною методикою розрахунку.

Таблиця 2

Надійність захисту РЗ	Рівень зони захисту	Висота блискавко­відводу h, м	Висота конуса захисту hо, м	Радіус конуса rо, м
0,9	ІІІ	від 0 до 100	0,85 h	1,2 h
від 100 до 150	0,85 h	[1,2–10^-3(h –100)] h
0,99	ІІ	від 0 до 30	0,8 h	0,8 h
від 30 до 100	0,8 h	[0,8–1,43·10^-3(h –30)] h
від 100 до 150	[0,8 – 10^-3(h – 100)] h	0,7 h
0,999	І	від 0 до 30	0,7 h	0,6 h
від 30 до 100	[0,7–7,14·10^-4(h – 30)] h	[0,6–1,43·10^-3 (h –30)] h
від 100 до 150	[0,65 – 10^-3(h – 100)] h	[0,5 – 2·10^-3 (h – 100)] h

Для зони захисту одиничного стрижньового блискавковідводу радіус горизонтального перерізу r_х на висоті h _x визначається формулою:

r_х = r_o (h_o- h_x)/ h_o [5]