150220 (Грозы, удары молний, градобитие), страница 4

τ₁ – постоянная времени для фронта;

τ₂ – постоянная времени для спада.

Параметры для расчета формы импульса тока молнии (табл. 6):

1. для первого импульса

I = 200 кА; h = 0,93; τ₁ = 19,0 мкс; τ₂ = 485 мкс

i(t) = – 0,5 Кл/с

1. для последующего импульса

I = 50 кА; h = 0,993; τ₁ = 0,454 мкс; τ₂ = 143 мкс

i(t) = – 0, 18 Кл/с

1. Длительный импульс может быть принят прямоугольным со средним током I и длительностью Т, соответствующими данным табл. 5. Средний ток приблизительно равен

2.1 Комплекс средств молниезащиты

Комплекс средств молниезащиты зданий или сооружений включает в себя устройства защиты от прямых ударов молнии (внешняя молниезащитная система – МЗС) и устройства защиты от вторичных воздействий молнии (внутренняя МЗС). В частных случаях молниезащита может содержать только внешние или только внутренние устройства. В общем случае часть токов молнии протекает по элементам внутренней молниезащиты.

Внешняя МЗС может быть изолирована от сооружения (отдельно стоящие молниеотводы – стержневые или тросовые, а также соседние сооружения, выполняющие функции естественных молниеотводов) или может быть установлена на защищаемом сооружении и даже быть его частью.

Внутренние устройства молниезащиты предназначены для ограничения электромагнитных воздействий тока молнии и предотвращения искрений внутри защищаемого объекта.

Токи молнии, попадающие в молниеприемники, отводятся в заземлитель через систему токоотводов (спусков) и растекаются в земле.

2.1.1 Внешняя молниезащитная система

Внешняя МЗС в общем случае состоит из молниеприемников, токоотводов и заземлителей. В случае специального изготовления их материал и сечения должны удовлетворять требованиям табл. 7.

Выбор типа и высоты молниеотводов производится исходя из значений требуемой надежности Р_з. Объект считается защищенным, если совокупность всех его молниеотводов обеспечивает надежность защиты не менее Р_з.

Во всех случаях система защиты от прямых ударов молнии выбирается так, чтобы максимально использовались естественные молниеотводы, а если обеспечиваемая ими защищенность недостаточна – в комбинации со специально установленными молниеотводами.

2.1.1.1 Зоны защиты одиночного стержневого молниеотвода

Стандартной зоной защиты одиночного стержневого молниеотвода высотой h является круговой конус высотой h₀ < h, вершина которого совпадает с вертикальной осью молниеотвода (рис. 13). Габариты зоны определяются двумя параметрами: высотой конуса h₀ и радиусом конуса на уровне земли r₀.

Приведенные ниже расчетные формулы (табл. 14) пригодны для молниеотводов высотой до 150 м.

Рисунок 13. Зона защиты одиночного стержневого молниеотвода

Для зоны защиты требуемой надежности (рис. 13) радиус горизонтального сечения r_х на высоте h_x определяется по формуле:

, (4)

Расчет зоны защиты одиночного стержневого молниеотвода (табл. 8)

Р_з = 0,99; h = 150 м; h_x = 100 м

h₀ = (0,8 – 10^-3 (h – 100))*h = (0,8 – 10^-3 *50)*150 = 112,5 м

r₀ = 0,7 h = 0,7*150 = 105 м

r_x = 105*(112,5 – 100)/112,5 = 11,7 м²

1. Зоны защиты одиночного тросового молниеотвода

Стандартные зоны защиты одиночного тросового молниеотвода высотой h ограничены симметричными двускатными поверхностями, образующими в вертикальном сечении равнобедренный треугольник с вершиной на высоте h₀ 0 (рис. 14).

Приведенные ниже расчетные формулы (табл. 9) пригодны для молниеотводов высотой до 150 м.

Полуширина r_x зоны защиты требуемой надежности (рис. 8) на высоте h_x от поверхности земли определяется выражением:

, (5)

2.1.1.3 Зоны защиты двойного стержневого молниеотвода

Молниеотвод считается двойным, когда расстояние между стержневыми молниеприемниками L не превышает предельной величины L_max. В противном случае оба молниеотвода рассматриваются как одиночные.

Конфигурация вертикальных и горизонтальных сечений стандартных зон защиты двойного стержневого молниеотвода (высотой h и расстоянием L между молниеотводами) представлена на рисунке 15. Построение внешних областей зон двойного молниеотвода (полуконусов с габаритами h₀, r₀) производится по формулам табл. 8 для одиночных стержневых молниеотводов. Размеры внутренних областей определяются параметрами h₀ и h_c, первый из которых задает максимальную высоту зоны непосредственно у молниеотводов, а второй – минимальную высоту зоны посередине между молниеотводами. При расстоянии между молниеотводами L ≥ L_c граница зоны не имеет провеса (h_c = h₀). Для расстояний L_c ≤ L ≥ L_max высота h_c определяется по выражению

, (6)

Входящие в него предельные расстояния L_max и L_c вычисляются по эмпирическим формулам табл. 10, пригодным для молниеотводов высотой до 150 м. При большей высоте молниеотводов следует пользоваться специальным программным обеспечением.

Размеры горизонтальных сечений зоны вычисляются по следующим формулам, общим для всех уровней надежности защиты:

максимальная полуширина зоны r_x в горизонтальном сечении на высоте h_x:

, (7)

длина горизонтального сечения L_x на высоте h_x ≥ h_c:

, (8)

причем при h_x < h_c L_x = L/2; ширина горизонтального сечения в центре между молниеотводами 2rcx на высоте h_x ≤ h_c:

, (10)

1. Зоны защиты двойного тросового молниеотвода

Молниеотвод считается двойным, когда расстояние между тросами L не превышает предельной величины L_max. В противном случае оба молниеотвода рассматриваются как одиночные.

Конфигурация вертикальных и горизонтальных сечений стандартных зон защиты двойного тросового молниеотвода (высотой h и расстоянием между тросами L) представлена на рис. 16. Построение внешних областей зон (двух односкатных поверхностей с габаритами h₀, r₀) производится по формулам табл. 9 для одиночных тросовых молниеотводов.

Размеры внутренних областей определяются параметрами h₀ и h_с, первый из которых задает максимальную высоту зоны непосредственно у тросов, а второй – минимальную высоту зоны посередине между тросами. При расстоянии между тросами L ≤ L_c граница зоны не имеет провеса (h_с = h₀). Для расстояний L_c ≤L ≥ L_max высота h определяется по выражению

, (11)

Входящие в него предельные расстояния L_max и L_c вычисляются по эмпирическим формулам табл. 11, пригодным для тросов с высотой подвеса до 150 м. При большей высоте молниеотводов следует пользоваться специальным программным обеспечением.

Длина горизонтального сечения зоны защиты на высоте h_x определяется по формулам:

при , (12)

при , (13)

Для расширения защищаемого объема на зону двойного тросового молниеотвода может быть наложена зона защиты опор, несущих тросы, которая строится как зона двойного стержневого молниеотвода, если расстояние L между опорами меньше L_max, вычисленного по формулам табл. 10. В противном случае опоры должны рассматриваться как одиночные стержневые молниеотводы.

Когда тросы непараллельны или разновысоки, либо их высота изменяется по длине пролета, для оценки надежности их защиты следует воспользоваться специальным программным обеспечением. Также рекомендуется поступать при больших провесах тросов в пролете, чтобы избежать излишних запасов по надежности защиты.

2.1.1.5 Зоны защиты замкнутого тросового молниеотвода

Расчетные формулы данного подраздела могут использоваться для определения высоты подвеса замкнутого тросового молниеотвода, предназначенного для защиты с требуемой надежностью объектов высотой h₀ < 30 м, размещенных на прямоугольной площадке площадью S₀ во внутреннем объеме зоны при минимальном горизонтальном смещении между молниеотводом и объектом, равном D (рис. 17). Под высотой подвеса троса подразумевается минимальное расстояние от троса до поверхности земли с учетом возможных провесов в летний сезон.

Для расчета h используется выражение:

, (14)

в котором константы А и В определяются в зависимости от уровня надежности защиты по следующим формулам:

а) надежность защиты Рз = 0,99

, (15)

, (16)

Расчетные соотношения справедливы, когда D > 5 м. Работа с меньшими горизонтальными смещениями троса нецелесообразна из-за высокой вероятности обратных перекрытий молнии с троса на защищаемый объект. По экономическим соображениям замкнутые тросовые молниеотводы не рекомендуются, когда требуемая надежность защиты меньше 0,99.

Если высота объекта превышает 30 м, высота замкнутого тросового молниеотвода определяется с помощью программного обеспечения. Также следует поступать для замкнутого контура сложной формы.

После выбора высоты молниеотводов по их зонам защиты рекомендуется проверить фактическую вероятность прорыва компьютерными средствами, а в случае большого запаса по надежности провести корректировку, задавая меньшую высоту молниеотводов.

2.1.2 Защита от вторичных воздействий молнии

Пространство, в котором расположены электрические и электронные системы, должно быть разделено на зоны различной степени защиты. Зоны характеризуются существенным изменением электромагнитных параметров на границах. В общем случае, чем выше номер зоны, тем меньше значения параметров электромагнитных полей, токов и напряжений в пространстве зоны.

Зона 0 – зона, где каждый объект подвержен прямому удару молнии, и поэтому через него может протекать полный ток молнии. В этой области электромагнитное поле имеет максимальное значение.

Зона 0_Е – зона, где объекты не подвержены прямому удару молнии, но электромагнитное поле не ослаблено и также имеет максимальное значение.

Зона 1 – зона, где объекты не подвержены прямому удару молнии, и ток во всех проводящих элементах внутри зоны меньше, чем в зоне 0_Е; в этой зоне электромагнитное поле может быть ослаблено экранированием.

Общие принципы разделения защищаемого пространства на зоны молниезащиты показаны на рис. 18.

На границах зон должны осуществляться меры по экранированию и соединению всех пересекающих границу металлических элементов и коммуникаций.

Две пространственно разделенные зоны 1 с помощью экранированного соединения могут образовать общую зону (рис. 19).

Экранирование является основным способом уменьшения электромагнитных помех.

Металлическая конструкция строительного сооружения используется или может быть использована в качестве экрана. Эта экранирующая структура образует электромагнитный экран с отверстиями (за счет окон, дверей, вентиляционных отверстий, шага сетки в арматуре, щелей в металлическом фасаде, отверстий для линий электроснабжения и т.п.). Для уменьшения влияния электромагнитных полей все металлические элементы объекта электрически объединяются и соединяются с системой молниезащиты (рис. 20).

Если кабели проходят между соседними объектами, заземлители последних соединяются для увеличения числа параллельных проводников и уменьшения, благодаря этому, токов в кабелях. Такому требованию хорошо удовлетворяет система заземления в виде сетки. Для уменьшения индуцированных помех можно использовать:

внешнее экранирование;

рациональную прокладку кабельных линий;

экранирование линий питания и связи.

Все эти мероприятия могут быть выполнены одновременно.

Соединения металлических элементов необходимы для уменьшения разности потенциалов между ними внутри защищаемого объекта. Соединения находящихся внутри защищаемого пространства и пересекающих границы зон молниезащиты металлических элементов и систем выполняются на границах зон. Осуществлять соединения следует с помощью специальных проводников или зажимов и, когда это необходимо, с помощью устройств защиты от перенапряжений.

Все входящие снаружи в объект проводники соединяются с системой молниезащиты.

Устройство защиты от перенапряжений выбирается выдерживающим часть тока молнии, ограничивающим перенапряжения и обрывающим сопровождающие токи после главных импульсов.

Максимальное перенапряжение U_max на входе в объект координируется с выдерживаемым напряжением системы.

Чтобы значение U_max сводилось к минимуму, линии присоединяются к общей шине проводниками минимальной длины.

Все проводящие элементы, такие как кабельные линии, пересекающие границы зон молниезащиты, соединяются на этих границах. Соединение осуществляется на общей шине, к которой также присоединяются экранирующие и другие металлические элементы (например, корпуса оборудования).

Для контактных зажимов и устройств подавления перенапряжений параметры тока оцениваются в каждом отдельном случае. Максимальное перенапряжение на каждой границе координируется с выдерживаемым напряжением системы. Устройства защиты от перенапряжений на границах различных зон также координируются по энергетическим характеристикам.

Все внутренние проводящие элементы значительных размеров, такие как направляющие лифтов, краны, металлические полы, рамы металлических дверей, трубы, кабельные лотки присоединяются к ближайшей общей шине или другому общему соединительному элементу по кратчайшему пути. Желательны и дополнительные соединения проводящих элементов.

Есть два способа присоединения к заземлителю металлических частей информационных систем, таких как корпуса, оболочки или каркасы: соединения выполняются в виде радиальной системы или в виде сетки.

При использовании радиальной системы все ее металлические части изолируются от заземлителя на всем протяжении кроме единственной точки соединения с ним. Обычно такая система используется для относительно небольших объектов, где все элементы и кабели входят в объект в одной точке.

Радиальная система заземления присоединяется к общей системе заземления только в одной точке. В этом случае все линии и кабели между устройствами оборудования должны прокладываться параллельно образующим звезду проводникам заземления для уменьшения петли индуктивности.

При использовании сетки ее металлические части не изолируются от общей системы заземления (рис. 21). Сетка соединяется с общей системой во многих точках. Обычно сетка используется для протяженных открытых систем, где оборудование связано большим числом различных линий и кабелей и где они входят в объект в различных точках. В этом случае вся система обладает низким сопротивлением на всех частотах.