Грозы, удары молний, градобитие (стр. 5 из 6)

При строительстве и реконструкции для каждого класса объектов требуется определить необходимые уровни надежности защиты от прямых ударов молнии (ПУМ).

Для специальных объектов минимально допустимый уровень надежности защиты от ПУМ устанавливается в пределах 0,9 – 0,999.

Уровень защиты от ПУМ возьмем первый. Ему соответствует надежность защиты от ПУМ, равная 0,99.

Для каждого уровня молниезащиты должны быть определены предельно допустимые параметры тока молнии. Данные, приведенные в нормативе, относятся к нисходящим и восходящим молниям.

Параметры тока молнии следующие (табл. 2):

1. Пиковое значение тока I, 200 кА

2. Полный заряд Q_полн, 300 Кл

3. Заряд в импульсе Q_имп, 100 Кл

4. Удельная энергия W/R, 10 000 кДж / Ом

5. Средняя крутизна di/dt_30/90%, 200 кА/мкс

Плотность ударов молнии в землю определяется следующей формулой

, (2)

где N_g – плотность ударов молнии в землю;

T_d – средняя продолжительность гроз в часах, определенная по региональным картам интенсивности грозовой деятельности.

Параметры первого импульса тока молний (табл. 3):

1. Максимум тока I, 200 кА

2. Длительность фронта T₁, 10 мкс

3. Время полуспада Т₂, 350 мкс

4. Заряд в импульсе Q_сум,100 Кл

5. Удельная энергия в импульсе W/R, 10 МДж / Ом

Параметры последовательного импульса тока молний (табл. 4)

1. Максимум тока I, 50 кА

2. Длительность фронта Т₁, 0,25 мкс

3. Время полуспада Т₂, 100 мкс

4. Средняя крутизна а, 200 кА/мкс

Параметры длительного тока молнии в промежутке между импульсами (табл. 5):

1. Заряд Q_дл, 200 Кл

2. Длительность Т, 0,5 с

Форма импульсов тока определяется следующей формулой

, (3)

где I – максимум тока;

h – коэффициент, корректирующий значение максимума тока;

t – время;

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

2. для последующего импульса

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

i(t) = – 0, 18 Кл/с

3. 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

2.1.1.2 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 <h и основанием на уровне земли 2r₀ (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)

2.1.1.4 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.