Молниезащита зданий и сооружений. Защита от статического электричества

. НЕОБХОДИМОСТЬ МОЛНИЕЗАЩИТЫ

Молниезащитой называется комплекс различного рода мероприятий и средств для их осуществления, обеспечивающих безопасность людей, сохранность зданий и сооружений, оборудования

и материалов от прямых ударов молнии, электромагнитной и электростатической индукции, а также от заноса высоких потенциалов через металлические конструкции и коммуникации.

На земном шаре ежегодно происходит до 16 млн гроз, т. е. около 44 тыс. за день. При этом ожидаемое число поражений молнией в год зданий и сооружений, не оборудованных молниезащитой, можно определить по формуле

N=10^-6n[(a+6h_x)(b+6h_x)- 7,7h_x²],

где п — среднее число поражений молнией 1 км² земной поверхности в год, зависящее от интенсивности грозовой деятельности, изменяющееся в пределах 2,5...7,5: для средней полосы России можно принять п = 5; a, b — соответственно длина и ширина защищаемого здания или сооружения, м; h_x — высота здания (сооружения) по его боковым сторонам, м.

Для дымовых труб котельных, водонапорных и силосных башен, мачт, деревьев и других объектов ожидаемое число ударов молнии в год определяют по формуле

N = 10^-6πr² n,

где r— эквивалентный радиус, м: r= 3,5A; h — высота объекта, м.

Прямой удар молнии очень опасен для людей, зданий и сооружений вследствие непосредственного контакта канала молнии с поражаемыми объектами. Убытки только от пожаров и взрывов, вызванных этим явлением, в ряде случаев колоссальные. Прямой удар молнии также может производить сильные механические разрушения, приводя в негодность чаще всего дымовые трубы, мачты, вышки, а иногда и стены зданий. Вместе с тем расчеты показывают, что затраты на осуществление молниезащитных мероприятий приблизительно в 1,5 раза меньше стоимости сгоревших за пять лет зданий и сооружений.

Существуют две основные разновидности молний: линейные и шаровые.

Линейная молния представляет собой разряд атмосферного электричества между облаками или между облаками и землей, происходящий за десятитысячные доли секунды, сопровождающийся громом и протеканием тока в десятки килоампер (в некоторых случаях до 500 кА). Путь молнии ветвистый, так как на ее пути встречаются участки воздуха с различными свойствами, а разряд всегда выбирает путь наименьшего сопротивления. При приближении разряда к земной поверхности на его дальнейшее продвижение начинают влиять другие факторы. Чаще всего разряд устремляется к возвышенным местам рельефа земли (холмы и т. п.) или к высоким строениям (трубы, мачты и др.), где заряды противоположного знака (положительные) особенно велики.

На избирательность разряда влияет и электрическая проводимость грунта. Нередки случаи прямого попадания молнии в дно глубоких оврагов с влажной почвой, обладающей хорошей электропроводностью. Поэтому в холмистой местности наиболее безопасными считаются каменистые и песчаные склоны, так как большое электрическое сопротивление грунта в таких местах снижает вероятность попадания в них молнии. При нахождении человека во время грозы на равнинной местности ему не следует идти, стоять или располагаться вблизи деревьев. В этом случае безопаснее сесть на какой-нибудь камень. При ударе молнии в автомобиль или трактор люди обычно не страдают, потому что металлическая кабина отводит возникающие при разряде токи мимо них в землю. Не имеющее молниеотвода здание с неметаллической крышей не всегда обеспечивает полную безопасность, так как при ударе молнии в строения такого типа возможны разряды со стен и крыши внутри здания.

Шаровая молния встречается сравнительно редко, примерно в 300...500 раз реже линейной. Она имеет вид светящегося шара, иногда вытянутого в форме груши. Температура шаровой молнии 3000...5000 °С, диаметр 10...20 см, а длительность существования от долей секунды до нескольких минут. Она способна перемещаться со скоростью до 2 м/с чаще всего по извилистому пути и в большинстве случаев в направлении ветра. При соприкосновении с шаровой молнией на теле человека возникают сильные ожоги, иногда приводящие к смерти.

Шаровая молния проникает в помещения через открытые окна, двери, дымоходы и даже через небольшие щели или замочные скважины, а иногда по электропроводке. После нескольких перемещений она может исчезнуть, но часто шаровая молния взрывается, что приводит к воспламенению сгораемых предметов, механическим разрушениям и в отдельных случаях к гибели людей.

Средства защиты от линейных молний часто неэффективны против шаровой. Поэтому рекомендуется дополнительно во время грозы закрывать все окна, двери, дымоходы и т. п., а вентиляционные решетки снабжать заземленными металлическими сетками, выполненными из проволоки диаметром 2...2,5 мм, с ячейками площадью 3...4 см₂.

. КАТЕГОРИИ МОЛНИЕЗАЩИТЫ

В зависимости от значимости объекта, наличия и класса взрыво- и пожароопасных зон в производственных зданиях, а также от вероятности поражения молнией применяют (если требуется) одну из трех категорий молниезащиты.

Молниезащиту I категории используют для промышленных зданий со взрывоопасными зонами (помещениями) классов B-I и В-II.

Молниезашиту II категории выполняют для производственных объектов с зонами классов B-Ia, B-I6 и В-IIа при условии, что эти зоны занимают не менее 30 % всего здания (если оно одноэтажное) или объема верхнего этажа, а также для открытых электроустановок с зонами класса В-1г. Молниезащита данной категории этих открытых установок обязательна на всей территории РФ, тогда как для зданий требуется только в районах с грозовой деятельностью не менее 10 ч в год. К объектам, защищаемым от молний по категории II, относятся мукомольные и комбикормовые заводы (цехи), аммиачные холодильники, склады жидкого топлива и смазочных материалов, отдельно стоящие помещения по заряду и ремонту аккумуляторов, склады удобрений и пестицидов и т. д.

Молниезащита II категории обеспечивает защиту от прямого удара молнии, от заноса высоких потенциалов через надземные и подземные коммуникации, а также от электростатической и электромагнитной индукции (наведения потенциалов в незамкнутых металлических контурах при протекании импульсных токов молнии, создающих опасность возникновения искр в местах сближения этих контуров). Для защиты от электростатической индукции металлические корпуса и конструкции заземляют (зануляют), а от электромагнитной индукции применяют металлические перемычки между трубопроводами и аналогичными протяженными предметами (оболочками кабелей и др.) в местах их взаимного сближения на расстояние 10 см и менее не реже чем через каждые 25...30м. При устройстве молниезащиты II категории воздушные вводы электрических линий, в том числе телефона и радио, заменяют кабельной вставкой длиной не менее 50 м. Металлическую оболочку кабелей на вводе в здание и на последней опоре соединяют с отдельными заземляющими устройствами, имеющими сопротивления растеканию импульсного тока молнии R_и≤10Ом. Эстакадные трубопроводы заземляют аналогичным образом.

Молниезащиту III категории применяют при грозовой продолжительности 20 ч и более в год для наружных установок класса П-III, зданий III, IV степеней огнестойкости (детских садов, яслей, школ и т. д.); больниц, клубов и кинотеатров; вертикальных вытяжных труб котельных или промышленных предприятий, водонапорных и силосных башен при высоте более 15 м от земли. Если продолжительность гроз составляет 40 ч в год и более, то молниезащита данной категории требуется для животноводческих и птицеводческих зданий III...V степеней огнестойкости, а также для жилых домов при их высоте более 30 м в случае, если они расположены далее 400 м от общего массива.

Молниезащита III категории устраняет опасные и вредные факторы, которые могут возникнуть при прямом ударе молнии, а также предохраняет от заноса высоких потенциалов в здание через воздушные электрические линии и другие надземные металлические коммуникации, например трубопроводы. С этой целью

коммуникации на вводе в здание и на ближайшей опоре присоединяют к заземлителям с сопротивлением растеканию импульсного тока молнии R_и ≤ 20 Ом. Емкости с топливными и смазочными материалами (кроме бензина), дымовые трубы и башни высотой более 15м защищают по категории III при допустимой величине R_и ≤ 50Ом.

Для зданий и сооружений, совмещающих в себе помещения, требующие устройства молниезащиты I и II или I и III категорий, рекомендуется молниезащиту объекта в целом выполнять в соответствии с требованиями для I категории.

Невзрывоопасные помещения, выполненные из несгораемых материалов (в том числе перегородки, перекрытия, крыши), устройствами молниезащиты не оборудуют. Необходимость молниезащиты зернохранилищ, мастерских, гаражей, зерноочистительных агрегатов обосновывают с учетом ожидаемого числа ударов молнии в здание. Как правило, сооружение молниезащиты на этих объектах не требуется.

ТИПЫ И УСТРОЙСТВО МОЛНИЕОТВОДОВ

Здания и сооружения защищают от прямых ударов молнии различными по конструкции молниеотводами. Но любой из молниеотводов включает в себя четыре основные части: молниеприем-ник, непосредственно воспринимающий удар молнии; токоотвод, соединяющий молниеприемник с заземлителем; заземлитель, через который ток молнии стекает в землю; несущую часть (опору или опоры), предназначенную для закрепления молниеприемника и токоотвода.

В зависимости от конструкции молниеприемника различают стержневые, тросовые, сетчатые и комбинированные молниеотводы. По числу совместно действующих молниеприемников их делят на одиночные, двойные и многократные. Кроме того, по месту расположения молниеотводы бывают отдельно стоящие, изолированные и не изолированные от защищаемого здания.

Защитное действие молниеотвода основано на свойстве молнии поражать наиболее высокие и хорошо заземленные металлические сооружения. Благодаря этому свойству более низкое по высоте защищаемое здание практически не поражается молнией, если оно входит в зону защиты молниеотвода. Зоной защиты молниеотвода называется часть пространства, примыкающая к нему и с достаточной степенью надежности (не менее 95 %) обеспечивающая защиту сооружений от прямых ударов молнии.

Наиболее часто для защиты зданий и сооружений применяют стержневые молниеотводы. Молниеприемник стержневого молниеотвода представляет собой вертикально расположенный стальной стержень любого профиля длиной 2... 15 м и площадью

поперечного сечения не менее 100 мм², укрепленный на опоре, расположенной, как правило, не ближе 5 м от защищаемого объекта. Молниеприемник соединяют с заземлителем токоотводом, выполненным из стальной проволоки диаметром не менее 6 мм, а в случае прокладки токоотвода в земле — не менее 10 мм. При устройстве молниеприемников непосредственно на крыше здания выполняют как минимум два токоотвода, а при ширине крыши более 12м — четыре. Если длина защищаемого объекта более 20 м, то на каждые последующие 20 м длины требуется устанавливать дополнительные токоотводы; при ширине здания до 12м —на обеих сторонах здания. Все соединения (молниеприемник — токоотвод, токоотвод — заземлитель) следует сваривать.

В качестве стержневых молниеотводов необходимо максимально использовать существующие вблизи защищаемого объекта высокие сооружения: водонапорные башни, вытяжные трубы и т. п. Деревья, растущие на расстоянии не более 5 м от зданий III...V степеней огнестойкости, также можно использовать в качестве опоры молниеотвода, если на стене здания напротив дерева на всю высоту стены проложить токоотвод, приварив его к заземлителю молниеотвода.

Тросовые молниеотводы чаще всего применяют для защиты зданий большой длины и высоковольтных линий. Эти молниеотводы изготовляют в виде горизонтальных тросов, закрепленных на опорах, по каждой из которых прокладывают токоотвод. Молниеприемники тросовых молниеотводов выполняют из стального многопроволочного оцинкованного троса сечением не менее 35 мм².

Следует отметить, что стержневые и тросовые молниеотводы обеспечивают одинаковую степень надежности защиты.

В качестве молниеприемников можно использовать металлическую крышу, заземленную по углам и по периметру не реже чем через каждые 25 м, или наложенную на неметаллическую крышу сетку из стальной проволоки диаметром не менее 6 мм, имеющую площадь ячеек до 150мм², с узлами, закрепленными сваркой, и заземленную так же, как металлическая крыша. К сетке или токопроводящей кровле присоединяют металлические колпаки над дымовыми и вентиляционными трубами, а в случае отсутствия колпаков — специально наложенные на трубы проволочные кольца.

. ТИПОВЫЕ РАСЧЕТЫ МОЛНИЕОТВОДОВ

Тип молниеотвода (одиночный, двойной и многократный стержневой, одиночный и двойной тросовый) выбирают в зависимости от конструкции зданий и сооружений, их размеров, формы и взаимного расположения.

Рис. 29.1. Зона защиты одиночного стержневого молниеотвода высотой до 150м

Зона защиты молниеотвода представляет собой часть пространства, примыкающего к молниеотводу, внутри которого здание или сооружение защищено от прямых ударов молнии с определенной степенью надежности. Различают зоны защиты двух типов: А — со степенью надежности 99,5 % и выше; Б — со степенью надежности 95 % и выше. Для объектов сельскохозяйственного назначения, как правило, требуется зона Б.

Зона защиты одиночного стержневого молниеотвода высотой h ≤ 150м (рис. 29.1) представляет собой конус, вершина которого находится на высоте h ₀ < h, а основание образует круг радиусом r_х. Для зоны типа А эти размеры определяют по формулам:

h ₀ = 0,85 h; r₀ = (1,1 - 0,002 h) h; r_х = (1,1 - 0,002 h)(h - h_x /0,85),

для зоны типа Б

h ₀ = 0,92 h; r₀ = 1,5 h; r_х = 1,5(h - h_x /0,92).

При известных значениях Нх и гх высота молниеотвода для зоны типа Б

h = (r_х+ 1,63 h_x)/1,5.

Зона защиты двойного стержневого молниеотвода высотой не более 150 м при расстоянии между единичными молниеотводами L изображена на рисунке 29.2. Два стержневых молниеотвода образуют слившуюся зону защиты при L < 5А. В ней величины h ₀, r₀ и r_х определяют так же, как для одиночного молниеотвода, а размеры зоны посредине между стержнями рассчитывают по следующим формулам.

Для зоны типа А:

при L ≤ h

h_c = h ₀ = 0,85 h; r_с = r₀ = (1,1 - 0,002 h) h; r_сх = r_х =
= (1,1 - 0,002 h)(h - h_x /0,85);

при А < L ≤ 3 h

h _с = h ₀ - (0,17 + 3·10^-4 h)(L - h); r_с = r₀; r_сх = r₀(h _с - h _Х)/ h _С.

Для зоны типа Б:

при L ≤ 1.5 h

h _с = h ₀; r_cx = r_х; r_с = r₀;

при 1,5 h < L< 5h

h _с = h ₀ - 0,14(L - 1,5 h); r_c = r₀; r_cx = r₀(h _c - h_x / h _c)-

При известных р_c, L и r_cx = 0 высота молниеотвода для зоны защиты типа Б

h = (h _с +0,14 h)/1,13.

Если расстояние между стержневыми молниеотводами L > 5h, то их совместное защитное действие нарушается (h ₀ = 0), поэтому их следует рассматривать как одиночные.

Зона защиты одиночного тросового молниеотвода высотой h ≤ 150 м при расстоянии L между опорами приведена на рисунке 29.3. Принимают, что верхняя часть зоны зашиты ограничена горизонтальной прямой, проведенной через точку максимального прогиба троса. Торцовые части зоны защиты аналогичны торцовым частям двойного стержневого молниеотвода.

Размеры зоны защиты одиночного тросового молниеотвода высотой h ≤ 150 м рассчитывают по формулам:

для зоны типа А

h ₀ = 0,85/ h; r₀ = (1,35 - 0,0025 h) h;

r_х = (1,35 - 0,0025 h)(h - h_x 0,85);

для зоны типа Б

h ₀ = 0,92 h; r₀ = 1,7А; r_х = 1,7(h - h_x /0,92).

 

Рис. 29.3. Зона защиты одиночного тросового молниеотвода высотой до 150м:
1— граница зоны защиты на уровне земли; 2— граница зоны зашиты на уровне h_х

При известных h_x и r_х высота одиночного тросового молниеотвода для зоны типа Б

h = (r_x+ l,85 h_x)/l,7.

Высоту опор h _оп выбирают с учетом стрелы прогиба. Для стального троса сечением 35...50 мм² стрела прогиба составляет 2м при расстоянии между опорами L< 120м и 3 м при 120м≤L≤ 150м. Высоту опор получают сложением расчетной высоты молниеотвода h и принятой стрелы прогиба. Следовательно, при L < 120 м высота опор h _оп = h + 1 м, при L = 120...150 м h _оп = h + 3 м.

 

 

ЭКСПЛУАТАЦИЯ БАЛЛОНОВ

Баллоном называют сосуд, имеющий одну или две горловины с отверстиями для ввинчивания вентилей и штуцеров. Эксплуатация баллонов, заполненных сжатыми, сжиженными или растворенными газами, связана с опасностью взрыва, причинами которого могут служить: перегрев баллонов (от посторонних источников теплоты или при быстром наполнении баллона газом); переполнение баллонов сжиженными газами без оставления свободного нормированного пространства; удары сосудов о твердые предметы при неправильной транспортировке или переноске (особенно в условиях низких или высоких температур); попадание масла на вентиль кислородного баллона; наличие окалины или ржавчины в кислородном баллоне перед наполнением; низкое качество или осадка пористой массы в ацетиленовых баллонах, а также их заполнение газом, для которого они не предназначены (например, метаном или попадание кислорода в количестве более 1 % в водородный баллон). Другие сопутствующие опасности связаны со следующими обстоятельствами: перемещением тяжелых предметов; энергией сжатого газа (давлением); специфическими свойствами содержащегося в баллоне газа, который может быть воспламеняющимся, отравляющим, окисляющим и т. д.

Для предотвращения взрывов и других негативных явлений при работе с баллонами следует соблюдать утвержденные Госгортехнадзором Правила устройства и безопасной эксплуатации сосудов, работающих под давлением.

Стандартные баллоны в зависимости от значения рабочего давления (максимального избыточного давления, возникающего в сосуде при нормальном протекании рабочего процесса) делят на пять типов (табл. 12.1).

В связи с этим баллоны с газами окрашивают в строго определенные цвета и дополнительно делают надписи и цветные полосы, предупреждающие о виде заполняющего газа (табл. 12.2) Кроме того, боковые штуцера вентилей баллонов, наполняемых горючими газами (водородом, этиленом и др.), имеют левую резьбу, а баллонов, наполняемых кислородом, азотом и другими негорючими газами, — правую. Ацетиленовые баллоны имеют специальный вентиль.

Перед эксплуатацией баллоны подвергает освидетельствованию завод-изготовитель. После этого оформляют ведомость за подписью представителя ОТК завода-изготовителя. В нее вносят: заводской номер, дату изготовления, дату испытания, массу и вместимость баллона, значения рабочего и пробного давления.

Эксплуатируемые баллоны подвергают периодическому освидетельствованию не реже одного раза в пять лет; баллоны, предназначенные для заполнения вызывающими коррозию газами (хлор, сероводород и т. п.), — не реже одного раза в два года.

Следует соблюдать следующие правила:

избегать механических повреждений баллонов (вмятин, разрезов и т.д.);

хранить баллоны вдали от источников теплоты, защищать их от прямого солнечного света;

соединять баллоны только с тем оборудованием, которое предназначено для применения в данных условиях эксплуатации;

защищать баллоны колпаками при транспортировке;

во избежание падения баллонов в процессе работы, при котором может быть сбит или поврежден клапан, их следует надежно закреплять;

не изменять конструкцию предохранительных устройств;

при низкой температуре предохранять баллоны от ударов, так как сталь в таких условиях становится хрупкой;

предотвращать коррозию, снижающую прочность стенок баллонов.

При эксплуатации баллонов с горючими газами необходимо:

организовать их хранение отдельно от баллонов с другими газами в хорошо проветриваемом помещении выше уровня земли;

не применять оборудование, допускающее утечку газа;

хранить и использовать баллоны только в вертикальном положении;

не курить и не пользоваться открытым огнем в местах хранения баллонов и работы с ними.

Особое место среди горючих газов занимает ацетилен. Учитывая его способность к взрывчатому распаду, особенно при сжатии (в обычных баллонах ацетилен взрывается при давлении свыше 0,1 МПа) или при нагреве даже в отсутствие воздуха, хранение и транспортировку ацетилена в обычных полых баллонах запрещают. Баллоны для этого газа в целях безопасности заполняют высокопористой массой, которая содержит растворитель. В качестве пористой массы используют специально обработанный активированный уголь, а в качестве растворителя — ацетон. Ацетиленовые баллоны испытывают путем заполнения их чистым азотом под давлением 3,5 МПа с погружением в воду на глубину не менее 1 м.

Перевозят заполненные баллоны в горизонтальном положении, размещая между ними прокладки. В качестве их используют деревянные бруски с вырезанными гнездами для баллонов или резиновые кольца толщиной не менее 0,025 м — по два кольца на баллон. Вентили должны быть направлены в одну сторону.

Разрешается перевозить баллоны в вертикальном положении в специальных контейнерах или без таковых при наличии прокладок и с ограждением баллонов от возможного падения.