Расчет молниезащиты сельскохозяйственных объектов. Методичка

Расчет молниезащиты сельскохозяйственных объектов

 

1 Цель работы: Изучить назначение, устройство молниезащиты. Научиться производить расчеты молниезащиты.

 

 

2 Общие положения

 

         Молния – грозное явление природы – представляет собой разряд атмосферного электричества между тучей и землей или между разноименно заряженными частями облака.

         Молния характеризуется следующими параметрами: потенциал между тучей и землей достигает 10⁸ В, ток молнии 2·10⁵, время действия 0,1…1,2 с, температура в канале молнии до 3·10⁴с.

         При прямом ударе молнии возникают пожары, взрывы, разрушения сооружений и оборудования, поражения людей и животных, перенапряжение на проводах электрической сети. Кроме прямого поражения молнией различают вторичные проявления прямого удара: электростатическую и электромагнитную индукцию. Во время грозы у поверхности земли вследствие электростатической индукции возникает сильное электрическое поле, напряженность которого особенно велика на концах острых предметов, где его можно наблюдать в виде свечения или коронного разряда. При разряде молнии в металлических конструкциях возникает значительная разность потенциалов, что может привести к искровому разряду через воздушный промежуток в несколько см.

         Молниезащита – комплекс защитных устройств, предназначенных для обеспечения безопасности людей, животных, сохранности зданий и сооружений, оборудования, материалов от возможных взрывов, загораний и разрушений, возникающих при воздействии молнии.

         Для защиты зданий и сооружений от прямого удара молнии устраивают молниеотводы.

         Молниеотводом называют устройство, воспринимающее прямой удар молнии и отводящее ток молнии в землю. Молниеотвод (рисунок 1) состоит из трех частей: молниеприемника1, токоотвода 2, опоры 3, заземлителя 4.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 1-  Молниеотвод

1- молниеприемник; 2 –токоотвод; 3- опора; 4 –заземлитель.

         В качестве молниеприеника используют сталь любых марок различного профиля с площадью сечения 100 мм² и длиной не менее 200 мм.

         Токоотводы выполняют из стальной проволоки (катанки) диаметром не менее 6 мм (или из стали другого профиля).

         Заземлители молниеотводов по конструкции не отличаются от заземлителей электроустановок.

         Опоры могут быть деревянными, стальными, железобетонными.

         Защитное действие молниетвода основано на свойстве молнии поражать в первую очередь более высокие и хорошо заземленные металлические объекты. Токи молнии воспринимаются молниеприемником и отводятся в землю через токоотвод  и заземлитель. Все соединения элементов молниеотвода выполняются сваркой.

         Молниеотводы по устройству могут быть стержневые (рисунок 1), тросовые и сетчатые.

         Тросовые молниеотводы для защиты зданий большой длины. В качестве молниеприемника используется трос сечением не менее 35 мм², натянутой между двумя опорами.

         Сетчатые молниеотводы выполняют в виде металлической сетки сваренной из проволоки диаметром 6…8 мм, которую накладывают на крышу защищаемого здания или под слой гидроизоляции только для объектов II и III категории молниезащиты и соединяют с заземлителями. Для объектов II категории размер ячейки не должен превышать 36 м² (6х6м) , а для категории III – 150 м² (12х12м), при этом спуске заземлителей делаются через 25 м по периметру здания.

         В зависимости от степени опасности поражения молнией и значимости объекта все здания и сооружения подразделяют на три категории. Молниезащита объектов 1-й категории применяется для промышленных зданий со взрывоопасными помещениями классов В-I, и В-II (имеются горючие газы, пары или пыль, которые могут образовывать с воздухом или другими окислителями взрывоопасные смеси при нормальных недлительных режимах работах).

         Молниезащита объектов 2-й категории используется для защиты производственных зданий с помещениями классов В-Iа, В-Iб, В-IIа, в которых при нормальной работе взрывоопасные смеси паров газов или пыли с воздухом или другими окислителями не образуется, а образуются они только в результате аварий или неисправностей. К таким помещениям относятся мельницы, заводы или цехи по производству комбикормов, сенной муки, зарядно-аккумуляторные станции, склад некоторых удобрений и ядохимикатов, открытые склады горюче-смазочных материалов, баллонов с горючими газами и т.д.

         Молниезащита объектов 3-й категории применяется для пожароопасных помещений классов I,II,IIa,III  в районах со средней грозовой деятельностью 20 и более часов в год. Она используется для животноводческих и птицеводческих зданий и сооружений из сгораемых или трудносгораемых материалов (III,IV,V степени огнестойкости) в местностях со средней годовой деятельностью 40 и более грозовых часов в год, жилых и общественных зданий или их частей, возвышающихся над уровнем массива застройки более чем на 25 м, общественных зданий из сгораемых и трудносгораемых материалов (детсадов, яслей, школ, больниц, клубов, кинотеатров) в районах со средней грозовой деятельностью 20 и более грозовых часов в год.

         Здания и сооружения, отнесенные по устройству молниезащиты к I и II категориям, защищаются от прямых ударов молний, от электростатической и электромагнитной индукции и от заноса высоких потенциалов через подземные и надземные металлические коммуникации.

         Здания и сооружения, отнесенные по устройству молниезащиты к III категории, защищаются от прямых ударов молнии и от заноса высоких потенциалов через надземные металлические коммуникации.

         Ожидаемое количество поражений молний в год здания или сооружения, не оборудованных молниезащитой, определяется по формуле:

 

N=[(L+6hx)(S+6hx)-7,7h²х]·n·10^-6

 

         где L и S – соответственно длина и ширина строения, имеющего в плане прямоугольную форму, м;

               hx – наибольшая высота строения, м;

               n – среднегодовое число ударов молнии в 1 км² земной поверхности в районе расположения здания (таблица 1).

 

         Если здания имеют сложную конфигурацию, то при расчете за S и L принимают ширину и длину наибольшего прямоугольника, в который вписывается план здания.

         Величина  n зависит от интенсивности грозовой деятельности.

 

Таблица 1- Среднее число поражений молнией

Грозовая деятельность за год, ч	Среднее число поражений молнией за год 1 км2 земной поверхности
10…20 20…40 40…60 60…80 80 и более	1 3 6 9 12

 

         Продолжительность грозовой деятельности определяется по специальной карте или по данным метеорологической станции.

        

3 Расчет и графическое построение зоны защиты молниеотводов

 

         Зона защиты молниеотвода – это часть пространства, примыкающих к молниеотводу, внутри которого здание или сооружение защищено от прямых ударов молнии с определенной степенью надежности.

         Различают зоны защиты двух типов А и Б. зона защиты А обладает степенью надежности 99,5% и выше, а зона защиты типа Б 95% и выше.

 

Рисунок 2 - Зона защиты одиночного стержневого молниеотвода высотой до 150 м

         Зона защиты одиночного стержневого молниеотвода высотой h≤150 м и представляет собой круговой конус высотой h_с<h в основание конуса круг радиусом r₀. Горизонтальное сечение зоны защиты на высоте защищаемого сооружения h_х представляет собой круг радиусом r_х.

          В таблице 2 приведены расчетные уравнения для различных типов молниеотводов.

 

Таблица 2 – Формулы для определения размеров зоны защиты

Тип защиты
А		Б
1 Одиночный стержневой молниеотвод высотой Н≤150 м (рисунок 2)
из rх=(1,1-0,002) (Н- выражаем Н Н0=0,85h; r0=(1,1-0,002)Н	Н=0,667rх+1,09hх Н0=0,92Н; r0=1,5Н
2 Двойной стержневой молниеотвод высотой Н≤150м (рисунок 3)
Торцевые области зоны защиты при условии, что молниеотвод находится на торцевой стене определяются формулам из rх=(1,1-0,002) (Н- выражаем Н Н0=0,85h; r0=(1,1-0,002)Н Внутренние области зоны защиты зависит от соотношения L и H при L≤h Нс=Н0; rсх=rх; rс=r при L>h hс=Н0-(0,17+3·10-4Н) (L-Н) rсх= r0 rс=r0 Зона А существует при L≤3Н	Торцевые области зоны защиты при условии, что молниеотвод находится на торцевой стене определяются формулам Н=0,667rх+1,09hх Н0=0,92Н; r0=1,5Н Внутренние области зоны защиты зависит от соотношения L и H  при L=1,5Н Нс=Но; rсх=rх; rс=r0 при L>1,5 Нс=Н0-0,14 (L-1,5) rсх=r0 rс=r0 Зона Б существует при L≤1,5Н Н=0,885Нс+0,124L
3 Одиночный тросовый молниеотвод высотой Н≤150м (рисунок 4)
Н0=0,85Н r0=(1,35-0,0025h)Н rх(1,35-0,0025Н) (Н-)	Н=0,59rх+1,09hх Н0=0,92Н; r0=1,7Н

 

 

Рисунок 4 – Зона защиты одиночного тросового молниеотвода высотой до 150 м

 

 

 

 

 

4 Заземление молниеотводов

 

         Величина импульсного сопротивления заземляющих устройств должна быть:

         1 для молниезащиты I и II категории не более 10 Ом, но в грунтах с удельным сопротивлением более 500 Ом и допускается увеличение до 40 Ом.

         2 для молниезащиты III – не более 20 Ом, а в грунтах с удельным сопротивлением более 500 Ом – не более 40 Ом. Однако для конюшен и ферм крупного рогатого скота импульсное сопротивление каждого заземлителя не должно быть более 10 Ом.

         Так как грозовой разряд происходит мгновенно, через молниеотвод проходит импульс электрического тока. Сопротивление заземлителя растеканию импульсного тока R_u связано с предельно допустимым сопротивлением R_~ растеканию тока промышленной частоты формулой

 

R_u=α·R_~

 

          где α – импульсный коэффициент, зависящий от величины тока молнии, удельного сопротивления грунта и конструкции заземлителя.

 

         Целесообразно применять лишь те заземлители, для которых α ≤1

Таблица 3- Значение импульсного коэффициента

ρ, Ом·м	до 100	100	500	1000	2000
α	0,9/0,9	0,7/0,9	0,5/0,7	0,3/05	-/0,35

 

Примечание: в числителе цифры для комбинированного заземлителя, в знаменателе – для вертикального.

 

         Чтобы люди и животные не были поражены шаговым напряжением, заземлители молниезащиты рекомендуется располагать не ближе 5 м от дорог и пешеходных дорожек, от входов в здания, в редко посещаемых местах (газоны, кустарники). Токоотводы не должны проходить вблизи дверей или ворот животноводческих помещений.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5 Порядок расчета молниеотвода

5.1 По таблице 4 определить параметры для расчета

 

Таблица 4 – Параметры защищаемых объектов

Индекс параметра	Наименование данных	Един. изм	Индексы вариантов
			1	2	3	4	5	6	7	8	9	0
а	Длина, защищаемого объекта, L	м	40	36	58	64	18	90	120	100	20	80
б	Ширина объекта, S	м	12	8	12	24	8	20	12	24	12	20
а	Высота объекта, hх	м	8	8	12	11	5,0	16	6	8	9	10
а	Удельное сопротивление грунта	Ом·м	40	40	70	100	150	200	400	500	200	150
б	Грозовая деятельность в год	ч	20-30	40-60	10-20	60-80	40-60	80 и более	80 и более	60-80	20-40	40-60
б	Тип заземлителя		А*	А	Б*	В	А	Б	В	Б	Б	В

Примечание: Заземлитель А выполнен из вертикального круглого электрода (трубы) диаметром 40 мм и длиной 3 м. Верхний конец электрода находится на поверхности земли.

         Б- тоже, но верхний конец заглублен на величину 0,7…0,8 м от поверхности земли.

         В- заземлитель выполнен из  круглого электрода диаметром 18 мм закопанного горизонтально вдоль здания на глубине 0,7…0,8 м.

         Параметры определяются по шифру студента, индексам параметров и индексам вариантов для шифра 83145. пишется шифр, а под его последними двумя цифрами буквенные индексы параметров. Например, для шифра 83145

                                                                                                                           аб

затем по буквенным индексам параметров определяется индекс вариантов.

 

         5.2 Определить ожидаемое количество  поражений молний в год незащищенного объекта по формуле (стр.5) и по нему выбрать тип зоны защиты.

         Производственные здания и сооружения степеней огнестойкости II,IV,V без пожароопасных зон требуют молниезащиту категории III при N>2 здание должно входить в зону защиты А.

         При наличии пожароопасных зон в зданиях со степенью огнестойкости III,IV или V, то молниезащита категории III с зоной Б требуется при N>0,02, а с зоной А при N>2.

         5.3 Вычертить контуры защищаемого объекта в плане.

         5.4 Выбрать тип молниеотвода.

Если L»S выбрать одиночную стержневой молниеотвод, если L≥2,5S выбрать тросовую молниеотвод. В остальных случаях – двойной стержневой молниеотвод.

         5.5 Определить r_х радиус защиты молниеотвода на высоте защищаемого объекта.

         5.6 Определить высоту молниеотвода и параметры зоны защиты молниеотвода (смотри формулы в таблице 2).

         5.7 Вычертить в масштабе контуры фасада (наиболее длинной части объекта) защищаемого объекта и контуры зоны защиты.

         Если контуры объекта не выходят за границы зоны защиты, значит молниеотвод подобран и рассчитан правильно.

         Если контуры объекта выходят за границы зоны защиты, то высоту молниеотвода нужно увеличить, а если контуры объекта вписываются в границы защиты с большим запасом, то высоту молниеотвода уменьшают и повторяют расчет.

 

         5.8 Рассчитать заземлитель молниеотвода по формулам (смотри таблицу 5)

Таблица 5- Определение сопротивления типовых электродов

Тип заземлителя	Формула
А     Б     В	R=   R=   R=

 

 

где - ℓ - длина электрода (стержня), м;

        d – диаметр, м;

t= - расстояние от середины электрода до поверхности земли, м;

h_т – расстояние от поверхности земли до середины горизонтального электрода, м.

 

Сделать вывод о соответствии заземления молниеотвода III категории требованиям.