Опасности проявления атмосферного электричества и методы защиты объекта двойным молниеотводом

19

ФГОУ ВПО

ОРЕНБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Институт управления рисками и БЖД в техносфере

Кафедра: техносферная безопасность

и биоинженерия

РЕФЕРАТ

на тему: Опасности проявления атмосферного электричества и методы защиты объекта двойным молниеотводом.

Выполнил: студент 41 г. БЖД

Чертыковцев Н. И.

Проверил: преподаватель

Севрюков В. Н.

ОРЕНБУРГ 2008

Содержание

Введение ………………………………………………………………………3

Защита объекта от воздействия

атмосферного электричества ………………………………………………..5

Классификация зданий и сооружений

по устройству молниезащиты……………………………………………….6

Комплекс средств молниезащиты…………………………………………..8

Конструктивные элементы молниезащиты ………………………………..9

Выбор молниеотводов ……………………………………………………..11

Двойной стержневой молниеотвод………………………………………..12

Порядок приемки устройств молниезащиты

в эксплуатацию……………………………………………………………...15

Эксплуатация устройств молниезащиты…………………………………..16

Введение

Начало атмосферному электричеству как науке было положено в XVIII веке американским учёным Бенджамином Франклином, экспериментально установившим электрическую природу молнии, и русским учёным Михаилом Ломоносовым -- автором первой гипотезы, объясняющей электризацию грозовых облаков. В XX веке были открыты проводящие слои атмосферы, лежащие на высоте более 60--100 км (ионосфера, магнитосфера Земли), установлена электрическая природа полярных сияний и обнаружен ряд других явлений. Развитие космонавтики позволило начать изучение электрических явлений в более высоких слоях атмосферы прямыми методами. 

Атмосферное электричество -- это совокупность электрических явлений в атмосфере, а также раздел физики атмосферы, изучающий эти явления. При исследовании атмосферного электричества изучают электрическое поле в атмосфере, её ионизацию и проводимость, электрические токи в ней, объёмные заряды, заряды облаков и осадков, грозовые разряды и многое другое. Все проявления атмосферного электричества тесно связаны между собой и на их развитие сильно влияют локальные метеорологические факторы. К области атмосферного электричества обычно относят процессы, происходящие в тропосфере и стратосфере. Атмосферное электричество проявляется в виде молнии.

Молния - это громадная искра, которая имеет сложную траекторию движения. Только 25-30% молний идут от облака к земле. Очень часто мы видим разряд молнии, прилетевшей откуда-то сбоку, и место ее зарождения может находиться в нескольких километрах от места попадания. Молнии порой напоминают причудливые корни гигантского растения. Это происходит оттого, что при разряде грозового облака сначала появляется так называемый лидер, который движется скачками, ионизируя воздух и прокладывая дорогу основному разряду. По проложенному лидером пути в своеобразной ионизированной воздушной трубке начинается движение электрических зарядов облака к земле. Естественно, что лидер пытается "нащупать" наиболее "проходимые" участки в толще воздуха, отсюда и "кустистость" многих молний. С земли навстречу лидеру из наиболее высоких точек устремляется встречный лидер, несущий заряды противоположного знака. В момент их соединения по замкнутому с землей каналу ионизированного воздуха и происходит разряд, появляется собственно молния. Причем, как правило, следует три разряда подряд, которые человеческий глаз воспринимает как один.

Разрушительная сила молний известна: молнии непосредственно угрожают жизни людей и животных, а при отсутствии грамотно спроектированной и установленной системы молниезащиты они могут привести к повреждению или даже полному уничтожению объектов недвижимости или дорогостоящего электрооборудования. Последстви-ями удара молнии могут быть взрывы твердых, жидких и газообразных материалов и веществ и выделение опасных продуктов - радиоактивных и ядовитых химических веществ, а также бактерий и вирусов. Удары молнии могут быть особо опасны для информационных систем, систем управления, контроля и электроснабжения. Для элек-тронных устройств, установленных в объектах разного назначения, требуется специальная защита.

Защита объекта от воздействия атмосферного электричества

В 1753 году мир впервые узнал об электрической природе молнии и методах борьбы с ее разрушительной силой благодаря опытам Франклина и изобретению молниеотвода.

Последующие идеи по усовершенствованию систем молниезащиты положили начало эре многочисленных разработок, результатом которых служит создание современных систем эффективной молниезащиты.

Молниезащита - эффективное средство защиты и повышения устойчивости функционирования объектов при воздействии на них атмосферного статического электричества. Она включает комплекс мероприятий и устройств, предназначенных для обеспечения безопасности людей, предохранения зданий, сооружений, оборудования и материалов от взрывов, загораний и разрушений, возможных при воздействии молний.

Для всех зданий и сооружений, не связанных с производством и хранением взрывчатых веществ, а также для линий электропередач и контактных сетей, проектирование и изготовление молниезащиты должно выполняться согласно РД 34.21.122-87.

По степени защиты здания и сооружения подразделяются на три категории: здания и сооружения, отнесённые к I и II категории молниезащиты, должны быть защищены от прямых ударов молнии, вторичных проявлений молнии и заноса высокого потенциала через наземные, надземные и подземные металлические коммуникации; здания и сооружения, отнесённые к III категории молниезащиты, должны быть защищены от прямых ударов молнии и заноса высокого потенциала через наземные и подземные металлические коммуникации.

Классификация зданий и сооружений по устройству молниезащиты

Классификация объектов определяется по опасности ударов молнии для самого объекта и его окружения. Непосредственное опасное воздействие молнии - это пожары, механические повреждения, травмы людей и животных, а также повреждения электрического и электронного оборудования. Удары молнии могут быть особо опасны для информационных систем, систем управления, контроля и электроснабжения.

Рассматриваемые объекты могут подразделяться на обычные и

специальные.

Обычные объекты - жилые и административные строения, а также здания и сооружения высотой не более 60 м, предназначенные для торговли, промышленного производства, сельского хозяйства.

Специальные объекты:

- объекты, представляющие опасность для непосредственного окружения;

- объекты, представляющие опасность для социальной и физической окружающей среды (объекты, которые при поражении молнией могут вызвать вредные биологические, химические и радиоактивные выбросы);

- прочие объекты, для которых может предусматриваться специальная молниезащита, например строения высотой более 60 м, игровые площадки, временные сооружения, строящиеся объекты.

В таблице 1 даны примеры разделения объектов на четыре класса.

Таблица 1

ПРИМЕРЫ КЛАССИФИКАЦИИ ОБЪЕКТОВ

Объект	Тип объекта	Последствия удара молнии
Обычный	Жилой дом	Отказ электроустановок, пожар и повреждение имущества. Обычно небольшое повреждение предметов, расположенных в месте удара молнии или задетых ее каналом
	Ферма	Первоначально - пожар и занос опасного напряжения, затем - потеря электропитания с риском гибели животных из-за отказа электронной системы управления вентиляцией, подачи корма и т.д.
	Театр; школа; универмаг; спортивное сооружение	Отказ электроснабжения (например, освещения), способный вызвать панику. Отказ системы пожарной сигнализации, вызывающий задержку противопожарных мероприятий
	Банк; страховая компания; коммерческий офис	Отказ электроснабжения (например, освещения), способный вызвать панику. Отказ системы пожарной сигнализации, вызывающий задержку противопожарных мероприятий. Потери средств связи, сбои компьютеров с потерей данных
	Больница; детский сад; дом престарелых	Отказ электроснабжения (например, освещения), способный вызвать панику. Отказ системы пожарной сигнализации, вызывающий задержку противопожарных мероприятий. Потери средств связи, сбои компьютеров с потерей данных. Необходимость помощи тяжелобольным и неподвижным людям
	Промышленные предприятия	Дополнительные последствия, зависящие от условий производства, от незначительных повреждений до больших ущербов из-за потерь продукции
	Музеи и археологические памятники	Невосполнимая потеря культурных ценностей
Специальный с ограниченной опасностью	Средства связи; электростанции; пожароопасные производства	Недопустимое нарушение коммунального обслуживания (телекоммуникаций). Косвенная опасность пожара для соседних объектов
Специальный, представляющий опасность для непосредственного окружения	Нефтеперерабатывающие предприятия; заправочные станции; производства петард и фейерверков	Пожары и взрывы внутри объекта и в непосредственной близости
Специальный, опасный для экологии	Химический завод; атомная электростанция; биохимические фабрики и лаборатории	Пожар и нарушение работы оборудования с вредными последствиями для окружающей среды

При строительстве и реконструкции для каждого класса объек-тов требуется определить необходимые уровни надежности защиты от прямых ударов молнии (ПУМ). Например, для обычных объектов может быть предложено четыре уровня надежности защиты, указанных в таблице 2.

Таблица 2

Уровни защиты от прямых ударов молнии (ПУМ) для обычных объектов

Уровень защиты	Надежность защиты от ПУМ
I	0,98
II	0,95
III	0,90
IV	0,80

Для специальных объектов минимально доступный уровень на-дежности защиты от ПУМ устанавливается в пределах 0,9 -- 0,999 в зависимости от степени его общественной значимости и тяжести ожидаемых последствий от прямого удара молнии. По желанию за-казчика в проект может быть заложен уровень надежности, превы-шающий предельно допустимый.

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.

Конструктивные элементы молниезащиты

Для приема электростатического заряда молнии и отвода ее токов в землю

служат специальные части молниезащиты-молниеотводы, которые состоят из

несущей части (опоры), молниеприемника, токоотвода и заземлителя.

Опоры молниеотводов могут выполняться из стали, железобетона, дерева.

Молниеприемники стержневые изготавливаются из стали сечением не менее 100 мм² и длиной не менее 200 мм. В качестве молниеприемника могут служить

металлические конструкции объектов (трубы, дефлекторы, кровля и т.п.).

Молниеприемники тросовых молниеотводов выполняются из стального

многопроволочного оцинкованного троса сечением не менее 35 мм².

Молниеприемная сетка выполняется из стальной проволоки 6-8 мм или полосовой стали сечением не менее 46 мм² и укладывается непосредственно на кровлю или под слой негорючего утеплителя или гидроизоляции. Узлы сетки соединяются сваркой. Размер ячеек должен быть не более 36м² (6*6 м) для защиты II категории и 150 м² (12*12) для III категории.

Для молниезащиты II и III категории допускается в качестве молниеприемника использовать металлическую кровлю. Все металлические элементы объекта, расположенные на крыше должны быть соединены с металлом кровли или сетки, а неметаллические элементы, возвышающиеся над кровлей должны иметь дополнительные молниеприемники.

Токоотводы, соединяющие сетку или кровлю с заземлителями прокладываются не реже, чем через 25 м по периметру здания. Токоотводы выполняются в виде стальных тросов, полос, труб, сечением (24-48 мм²) согласно СН РД и прокладываются к заземлителям кратчайшим путем. Они должны быть оцинкованы, пролужены или окрашены. При прокладке во избежание разрыва от электродинамических усилий при больших токах молнии,

необходимо избегать острых углов и петель.

Заземлители делятся на:

а) углубленные из полосовой или круглой стали, укладываемые на дно котлована.

б) вертикальные из стальных ввинчиваемых стержней (2-5 м) или на уголковой

стали; верхний конец заземлителя углубляется на 0.6-0.7 м.

в) горизонтальные - из круглой или полосовой стали (160 мм2) уложенные на

глубине 0.6-0.8 м в виде одного или нескольких симметричных лучей.

г) комбинированные - вертикальные и горизонтальные. Сечение элементов

заземлителей должны быть не менее требуемых РД.

Соединение молниеприемников токоотводов и заземлителей на сварке.

Среднегодовая интенсивность грозовой деятельности в часах определяется по

спецкарте РД.

Ожидаемое количество поражений молнией в год:

N = (S+6^. h) ^. (L+6^. h) ^. n^. 1000000

где S, L - соответственно ширина и длина защищаемого объекта, м;

h - наибольшая высота объекта, м;

n - среднегодовое число ударов молний в 1 км² земной поверхности.

Интенсивность грозовой деятельности, ч в год	10-20	20-40	40-60	60-80	80 и более
n	1	3	6	|9	12

Величина импульсного сопротивления заземлителя связана с предельно

допустимым сопротивлением растеканию тока промышленной частоты. Rи = K где - коэффициент импульса принимается согласно РД; Rи для каждого

заземлителя должна быть не более 10 Ом (для защиты II категории 20 Ом), а

в грунтах с удельным сопротивлением 500 Ом^. м допускается до 40 Ом.

Выбор молниеотводов

Выбор типа и высоты молниеотводов производится исходя из значений требуемой надежности Р₃. Объект считается защищенным, если совокупность всех его молниеотводов обеспечивает надежность защиты не менее Р₃.

Во всех случаях система защиты от прямых ударов молнии выбирается так, чтобы максимально использовались естественные мол-ниеотводы, а если обеспечиваемая ими защищенность недостаточ-на, - в комбинации со специально установленными молниеотво-дами.

В общем случае выбор молниеотводов производится при по-мощи соответствующих компьютерных программ, способных вычислять зоны защиты или вероятность прорыва молнии в объект (группу объектов) любой конфигурации при произвольном рас-положении практически любого числа молниеотводов различ-ных типов.

При прочих равных условиях высоту молниеотводов можно сни-зить, если вместо стержневых конструкций применять тросовые, особенно при их подвеске по внешнему периметру объекта.

Если защита объекта обеспечивается простейшими молниеотво-дами (одиночным стержневым, одиночным тросовым, двойным стер-жневым, двойным тросовым, замкнутым тросовым), размеры мол-ниеотводов можно определять, пользуясь заданными в настоящем нормативе зонами защиты.

Зона защиты молниеотвода - это часть пространства, внутри которого объект защищен от ударов молнии с определенной степенью надежности: зона типа А-99.5% и выше, Б-95% и выше.

Для создания зон защиты применяют одиночный стержневой молниеотвод, двойной стержневой молниеотвод, многократный стержневой молниеотвод, одиночный или двойной тросовый молниеотвод.

Двойной стержневой молниеотвод

Молниеотвод считается двойным, когда расстояние между стержневыми молниеприемниками L не превышает предельной величины Lmax. 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 рис. 1.

Рис. 1. Зона защиты двойного стержневого молниеотвода:
1 -- граница зоны защиты на уровне hx1; 2 -то же на уровне hx2,
3 -то же на уровне земли

Построение внешних областей зон двойного молниеотвода (полуконусов с габаритами h₀, r₀) производится по формулам таблицы 3 для одиночных стержневых молниеотводов.

Таблица 3

РАСЧЕТ ЗОНЫ ЗАЩИТЫ ОДИНОЧНОГО СТЕРЖНЕВОГО МОЛНИЕОТВОДА

Надежность защиты Рз	Высота молниеотвода h, м	Высота конуса h0, м	Радиус конуса r0, м
0,9	От 0 до 100	0,85h	1,2h
	От 100 до 150	0,85h	[1,2 - 10-3 (h - 100)]h
0,99	От 0 до 30	0,8h	0,8h
	От 30 до 100	0,8h	[0,8 - 1,43 x10-3 (h - 30)]h
	От 100 до 150	[0,8 - 10-3(h - 100)]h	0,7h
0,999	От 0 до 30	0,7h	0,6h
	От 30 до 100	[0,7 - 7,14x10-4(h - 30)]h	[0,6 - 1,43x10-3 (h - 30)]h
	От 100 до 150	[0,65 - 10-3 (h - 100)]h	[0,5 - 2 x10-3(h - 100)]h

Внутренние области зон защиты двойного стержневого молниеотвода имеют следующие габаритные размеры.
Зона А:

при L ? h

при 2h < L ? 4h

При расстоянии между стержневыми молниеотводами L > 4h для построения зоны А молниеотводы следует рассматривать как одиночные.

Зона Б:
при L ? h

при h < L ? 6h

При расстоянии между стрежневыми молниеотводами L > 6h для построения зоны Б молниеотводы следует рассматривать как одиночные.
При известных значениях h_c и L (при r_cx = 0) высота молниеотвода для зоны Б определяется по формуле

Входящие в него предельные расстояния Lmax и L вычисляются по эмпирическим формулам таблицы 4, пригодным для молниеотводов высотой до 150 м. При большей высоте молниеотводов следует пользоваться специальным программным обеспечением.

Таблица 4

РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ ЗОНЫ ЗАЩИТЫ ДВОЙНОГО СТЕРЖНЕВОГО МОЛНИЕОТВОДА

Надежность защиты Рз	Высота молниеотвода h, м	Lmax, м	L, м
0,9	От 0 до 30	5,75h	2,5h
	От 30 до 100	[5,75 - 3,57x10-3(h - 30)]h	2,5h
	От 100 до 150	5,5h	2,5h
0,99	От 0 до 30	4,75h	2,25h
	От 30 до 100	[4,75 - 3,57x10-3(h - 30)]h	[2,25 - 0,01007(h - 30)]h
	От 100 до 150	4,5h	1,5h
0,999	От 0 до 30	4,25h	2,25h
	От 30 до 100	[4,25 - 3,57x10-3 (h - 30)]h	[2,25 - 0,01007(h - 30)]h
	От 100 до 150	4,0h	1,5h

Порядок приемки устройств молниезащиты в эксплуатацию

Молниезащитные устройства объектов, законченных строитель-ством (реконструкцией), принимаются в эксплуатацию рабочей ко-миссией и передаются в эксплуатацию заказчику до начала монтажа технологического оборудования, завоза и загрузки в здания и со-оружения оборудования и ценного имущества.

Приемка молниезащитных устройств на действующих объектах осуществляется актом рабочей комиссии.

Состав рабочей комиссии определяется заказчиком, в состав ра-бочей комиссии обычно включаются представители: лица, ответственного за электрохозяйство; подрядной организации; службы пожарной инспекции.

Рабочей комиссии предъявляются следующие документы: утвержденные проекты устройства молниезащиты; акты на скрытые работы (по устройству и монтажу заземлителей и токоотводов, недоступных для осмотра); акты испытаний устройств молниезащиты и защиты от вторич-ных проявлений молнии и заноса высоких потенциалов через на-земные и подземные металлические коммуникации (данные о со-противлении всех заземлителей, результаты осмотра и проверки ра-бот по монтажу молниеприемников, токоотводов, заземлителей, элементов их крепления, надежности электрических соединений между токоведущими элементами и др.).

Рабочая комиссия производит полную проверку и осмотр вы-полненных строительно-монтажных работ по монтажу молниезащит-ных устройств.

Приемка молниезащитных устройств вновь строящихся объек-тов оформляется актами приемки оборудования для устройств мол-ниезащиты.

После приемки в эксплуатацию устройств молниезащиты состав-ляются паспорта молниезащитных устройств и паспорта заземлителей устройств молниезащиты, которые хранятся у ответственного за электрохозяйство.

Акты, утвержденные руководителем организации, вместе с представленными актами на скрытые работы и протоколами измерений, включаются в паспорт молниезащитных устройств.

Эксплуатация устройств молниезащиты

Устройства молниезащиты зданий, сооружений и наружных установок объектов эксплуатируются в соответствии с Правилами технической эксплуатации электроустановок потребителей и указаниями данной инструкции. Задачей эксплуатации устройств молниезащиты объектов является поддержание их в состоянии необходимой исправности и надежности.

Штатное и внеочередное обслуживание устройств молниезащиты осуществляется по программе обслуживания, составляемой экспертом по устройствам молниезащиты, представителем проектной организации и утверждаемой техническим руководителем организа-ции.

Для обеспечения постоянной надежности работы устройств молниезащиты ежегодно перед началом грозового сезона производятся проверка и осмотр всех устройств молниезащиты. Проверки проводятся также после установки системы молниеза-щиты, после внесения каких-либо изменений в систему молниеза-щиты, после любых повреждений защищаемого объекта. Каждая проверка проводится в соответствии с рабочей программой.

Для проведения проверки состояния МЗУ руководителем орга-низации указывается причина проверки и организуются: комиссия по проведению проверки МЗУ с указанием функциональ-ных обязанностей членов комиссии по обследованию молниезащиты; рабочая группа по проведению необходимых измерений; указываются сроки проведения проверки.

Во время осмотра и проверки устройств молниезащиты реко-мендуется: проверить визуальным осмотром (с помощью бинокля) целост-ность молниеприемников и токоотводов, надежность их соединения и крепления к мачтам. Выявить элементы устройств молниезащиты, требующие замены или ремонта вследствие нарушения их механической прочности; определить степень разрушения коррозией отдельных элементов устройств молниезащиты, принять меры по антикоррозионной за-щите и усилению элементов, поврежденных коррозией. Проверить надежность электрических соединений между токоведущими частями всех элементов устройств молниезащиты.

Проверить соответствие устройств молниезащиты назначению объектов и, в случае наличия строительных или технологических из-менений за предшествующий период, наметить мероприятия по модернизации и реконструкции молниезащиты в соответствии с требованиями настоящей инструкции. Уточнить исполнительную схему устройств молниезащиты и определить пути растекания тока молнии по ее элементам при разряде молнии методом имитации разряда молнии в молниеприемник с по-мощью специализированного измерительного комплекса, подключен-ного между молниеприемником и удаленным токовым электродом.

Измерить значение сопротивления растеканию импульсного тока методом «амперметра-вольтметра» с помощью специализированного измерительного комплекса. Измерить значения импульсных перенапряжений в сетях электроснабжения при ударе молнии, распределения потенциалов по металлоконструкциям и системе заземления здания методом имита-ции удара молнии в молниеприемник с помощью специализиро-ванного измерительного комплекса. Измерить значение электромагнитных полей вблизи расположения устройства молниезащиты методом имитации удара молнии в молниеприемник с помощью специальных антенн. Проверить наличие необходимой документации на устройства молниезащиты.

Периодическому контролю со вскрытием в течение 6 лет (для объектов I-ой категории) подвергаются все искусственные заземлители, токоотводы и места их присоединений, при этом ежегодно про-изводится проверка до 20% их общего количества. Пораженные коррозией заземлители и токоотводы при уменьшении их площади поперечного сечения более чем на 25% должны быть заменены новыми.

Внеочередные осмотры устройств молниезащиты следует про-изводить после стихийных бедствий (ураганного ветра, наводнения, землетрясения, пожара) и гроз чрезвычайной интенсивно-сти. Внеочередные замеры сопротивления заземления устройств молниезащиты следует производить после выполнения всех ремонтных работ, как на устройствах молниезащиты, так и на самих защищаемых объектах и вблизи них.

Результаты проверок оформляются актами, заносятся в паспорта и журнал учета состояния устройств молниезащиты. На основании полученных данных составляется план ремонта и устранения дефектов устройств молниезащиты, обнаруженных во время осмотров и проверок.

Земляные работы у защищаемых зданий и сооружений объектов, устройств молниезащиты, а также вблизи них производятся с разрешения эксплуатирующей организации, которая выделяет ответственных лиц, наблюдающих за сохранностью устройств молниезащиты. Не допускается во время грозы производить все виды работ на устройствах молниезащиты и вблизи них.

Источники

1. Безопасность жизнедеятельности: Учебник для вузов / Белов С.В., Ильницкая А.В., Козьяков А.Ф. и др.; Под общ. ред. С.В. Белова. - М.: Высшая школа, 1999. - 448 с.

2. http: /www.stroyinform.ru/

3. http: /www.ivd.ru/

4. http: /www.jandex.ru/