Защита склада от молний
Ю. Полярин. канд. техн. наук
Вопрос пожарной безопасности имеет важное значение для сохранности сооружений, в частности складов. Основное условие ее обеспечения – исключить контакт источника возгорания с горючей средой, т. е. организация системы мер по предотвращению пожара. В комплект этой системы в том числе входит устройство молниезащиты. В последнее десятилетие во всем мире резко увеличилось количество аномальных природных катаклизмов, например ливневые грозы, следствием которых стали небывалые наводнения в Чехии, Италии и Германии летом 2002 г. В России, по данным МЧС, в 40% случаев возгорание происходит по причине грозовых разрядов. Разряд молнии порой приводит не только к значительным материальным убыткам, но и гибели людей.
Здания и сооружения чаще всего подвергаются воздействию молнии из-за отсутствия специальных молниезащитных устройств, но если они есть, а случаи поражения все же имеются, то это, как правило, происходит вследствие недостатков в проектировании, монтаже и эксплуатации. Конструкции, выполненные на основе действующих требований и рекомендаций, надежно защищают объект, при этом дополнительные затраты на устройство молниезащиты по сравнению с общими затратами на сооружение объекта, как правило, весьма незначительны – не более 0,5%.
Молниезащита представляет собой комплекс мероприятий, направленных на предотвращение прямого удара молнии в объект, вторичных воздействий молнии и заноса высокого потенциала. Прямой удар молнии является наиболее опасным из всех ее проявлений с точки зрения поражения зданий и сооружений. Подавляющее число пожаров и разрушений вызвано именно этим воздействием. Защитное действие молниеотвода основано на свойстве молнии с большей вероятностью поражать более высокие и хорошо заземленные предметы по сравнению с расположенными рядом объектами меньшей высоты. Поэтому на молниеотвод, возвышающийся над защищаемым объектом, возлагается функция перехвата молнии и отвода ее тока в землю посредством системы заземления.
Количественно защитное действие молниеотвода определяется через вероятность прорыва – отношение числа ударов в защищенный объект (число прорывов) к общему числу ударов в молниеотвод и объект. Существует несколько способов оценки вероятности прорыва, основанных на разных фактических представлениях о процессах поражения молнией. В руководящих материалах по устройству молниезащиты (РД 34.21.122-87) использованы результаты расчетов по вероятностной методике, связывающей вероятность поражения молниеотводов и объекта с разбросом траекторий нисходящей молнии без учета вариаций ее токов.
Согласно этой модели создать идеальную защиту от прямых ударов молнии, полностью исключающую прорывы на защищаемый объект, нельзя. На практике возможно так взаимно расположить объект и молниеотвод, что это обеспечит низкую вероятность прорыва (0,1 или 0,01), а значит, снизит число поражений объекта в 10 и 100 раз по сравнению с незащищенными объектами. Такой уровень защиты обеспечивает большинству современных объектов малое количество прорывов за весь срок их службы.
Возможность поражения строения молнией в значительной степени определяется интенсивностью грозовой деятельности в той местности, где он расположен, и зависит от его размеров и конфигурации, расположения среди окружающих объектов и ряда других условий. Интенсивность грозовой деятельности характеризуется средним количеством грозовых часов в год и может быть получена по данным местной метеорологической станции. Кроме того, существует карта средней за год продолжительности гроз в часах для всей территории СНГ, на которой приближенно отмечены границы крупных областей, где наблюдается одна и та же грозовая деятельность.
Диапазон ее изменения довольно широкий и зависит от климатических факторов и рельефа. Воздействия молнии подразделяются на две основные группы: первичные, инициированные прямым ударом молнии, и вторичные, вызываемые электромагнитной и электростатической индукцией и заносом высоких потенциалов в объект протяженными металлическими коммуникациями. Прямой удар молнии создает термические, механические и электрические воздействия. Термические воздействия связаны с резким выделением теплоты при прямом контакте канала молнии с содержимым пораженного объекта и при протекании через объект тока молнии.
Особую опасность поражения прямым ударом молнии представляют металлические и железобетонные резервуары для хранения нефтепродуктов, поэтому металлические элементы (оболочки) этих установок не следует использовать в качестве молниеприемников. Ток от прямого удара молнии может вызвать недопустимый по пожаробезопасности нагрев проводника, а при малом сечении даже расплавить или испарить его. Не рекомендуется применять в устройствах молниезащиты стальные и медные провода сечением менее 30 и 16 мм2 соответственно.
Контакт некоторых негорючих материалов и материалов с высоким электрическим удельным сопротивлением (камень, кирпич, бетон, дерево) с каналом молнии вызывает резкое паро- и газообразование в них. Давление в образовавшемся канале резко растет, происходит взрыв или расщепление конструкции, например кирпичной кладки, деревянных опор и даже железобетонных устройств, где нет хорошего контакта между элементами арматуры. Это вынуждает защищать бетонные сооружения со слабым армированием или без него от прямого удара молнии. Нельзя применять предварительно напряженную арматуру в качестве токоотвода: импульсные токи силой даже 10...20 кА вызывают разрушение железобетона.
Поражение людей происходит при непосредственном попадании в них молнии; прикосновении к элементам здания или оборудования, в которых протекает ток молнии или на которых появляется высокий потенциал; при воздействии шагового напряжения в результате растекания тока молнии через заземлитель или пораженный соседний объект через землю.
Использование тех или иных методов для защиты зданий от разряда молнии производится в строгом соответствии с их классификацией в части устройства молниезащиты. В Инструкции по устройству молниезащиты зданий и сооружений РД 34.21.122-87 объекты разделены на три категории, различающиеся по тяжести возможных последствий поражения молнией.
В I категорию включены здания и сооружения, которые согласно Правилам устройства электроустановок (ПУЭ) относятся к зонам классов В-I и B-II, т. е. производственные помещения, где в нормальных технологических режимах может находиться и образовываться взрывоопасная концентрация газов, паров, пыли, волокон. Любое поражение молнией, вызывая взрыв, создает повышенную опасность разрушений и жертв не только этого объекта, но и других, близко расположенных. К этой категории относятся сливно-наливные эстакады для приема и отпуска горючих жидкостей с температурой вспышки паров до 45°С включительно.
Во II категорию входят здания и сооружения, которые согласно ПУЭ относятся к зонам классов B-Ia, B-Iб, В-IIа. Это объекты, в которых взрывоопасная концентрация образуется при авариях и нарушении нормального технологического режима, а также наружные установки, содержащие взрывоопасные жидкости и газы. Для этих объектов удар молнии создает опасность взрыва только при совпадении с технологической аварией или срабатыванием аварийных клапанов на наружных установках.
К этой категории относятся: продуктово-насосные станции; вакуумные насосные по перекачке горючих жидкостей с температурой вспышки паров до 45°С включительно; продуктоприемники горючих жидкостей с температурой вспышки до 45°С включительно, а также технологические трубопроводы в помещениях и траншеях для тех же жидкостей; складские помещения для вышеуказанных жидкостей в таре (бочках, бидонах и др.); складские помещения для хранения баллонов со сжатыми (сжиженными) газами – метаном, пропаном, бутаном, ацетиленом; помещения, где хранятся баллоны с аммиаком; помещения компрессорного и аппаратного отделений в зданиях холодильников, работающих на аммиаке, а также вестибюли на этажах, при наличии аммиачных аппаратов и коллекторов; помещения для стоянки автотранспорта в гаражах и смотровые ямы в них; помещения, где стоят двигатели внутреннего сгорания; помещения зарядных станций щелочных и кислотных аккумуляторов.
В III категорию включены здания и сооружения, для которых прямой удар молнии представляет опасность в отношении пожара, механических повреждений, поражения людей: это здания и сооружения, отнесенные ПУЭ к зонам классов II-I, II-II, II-IIа, II-III; наружные установки и открытые склады, создающие согласно ПУЭ зоны класса II-III; здания и сооружения III, IIIа, IV и V степени огнестойкости, в которых по ПУЭ отсутствуют помещения, относящиеся к взрыво- и пожароопасным; здания из металлических конструкций, со сгораемым утеплителем степени огнестойкости IVа. Сюда же входят: наземные и заглубленные резервуары для хранения горючих жидкостей с температурой вспышки выше 45°С; продуктово-насосные станции; вакуумные насосные, сливно-наливные эстакады для перекачки, приема и отпуска указанных жидкостей, а также складские помещения для хранения этих жидкостей в таре (бочках, бидонах и др.).
К этой же категории относятся: помещения для хранения натурального, синтетического каучука и изделий из них, хлопка-волокна, промышленных материалов и товаров (изделий из волокнистых веществ; бумаги в рулонах, кожи, шерсти и др.); складские помещения горючих натуральных, синтетических смол, химикатов; складские помещения продовольственных товаров, включая камеры холодильников, складские помещения негорючих материалов в горючей мягкой или твердой таре; складские помещения магния, титановой губки, ртути; помещения лабораторий, в том числе для анализа нефтепродуктов и спирта при условии оборудования помещений приточно-вытяжной вентиляцией.
Помимо зданий и сооружений молниезащите подлежат открытые территории промышленных предприятий и складов, так как на них могут находиться люди.
Молния представляет собой разряд атмосферного электричества между грозовым облаком и землей или каким-либо наземным объектом. До появления разряда в облаке происходит накопление и разделение электрических зарядов. Разряд молнии начинается с развития лидера – слабо светящегося канала с силой тока в несколько сотен ампер. По направлению движения лидера от облака вниз или от наземного сооружения вверх молнии подразделяют на нисходящие и восходящие.
Сведения о нисходящих молниях много лет накапливались в разных районах земного шара. Сведения о случаях возникновения восходящих молний появились лишь в последние десятилетия, когда начались систематические наблюдения за фактами прямого попадания молний в очень высокие сооружения – телевизионные башни, дымовые трубы и т. п. Лидер нисходящей молнии возникает под действием процессов в грозовом облаке, его появление не зависит от наличия на поверхности земли каких-либо сооружений. Главный разряд, возникающий при соприкосновении лидера с землей или наземным объектом, связан с нейтрализацией отрицательных зарядов лидера положительными зарядами земли. Он напоминает короткое замыкание и сопровождается ярким свечением и нарастанием тока до пиковых значений в сотни килоампер.
Этот процесс протекает весьма быстро, за 50...100 мкс, и сопровождается разогревом канала до десятков тысяч градусов по Кельвину, а его ударное расширение воспринимается слухом как удар грома. Вокруг канала образуется ионизированная область, которая исчезает после окончания главного разряда через 0,03...0,05 с. Сила тока послесвечения достигает сотен и даже тысяч ампер. Через некоторое время может произойти повторный разряд, но значительно меньшей силы. Вообще, почти половина случаев разрядов облака имеет 3...4 импульса. Общая длительность многократного разряда облака на землю достигает 0,2...0,3 с (наблюдались случаи длительностью до 2 с). Заряд, переносимый в течение всей вспышки молнии, может составлять 10...30 Кл.
Восходящие лидеры возбуждаются на высоких заземленных сооружениях, у вершин которых электрическое поле во время грозы резко усиливается. На равнинной местности такие молнии поражают объекты высотой более 150 м, а в горных районах – сооружения меньшей высоты, потому и наблюдаются чаще.
Здания и сооружения, отнесенные к I и II категориям 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, отнесенные к III категории молниезащиты, должны быть защищены от прямых ударов молнии и заноса высокого потенциала через наземные и подземные металлические коммуникации. Для зданий и сооружений, совмещающих в себе помещения разных категорий, рекомендуется выполнять молниезащиту по высшей из этих категорий.
Требования к устройствам молниезащиты в основном могут быть следующими: соответствие типа молниезащиты характеру производственного процесса в здании или сооружении, а также на всем объекте; возможность типизации конструктивных элементов молниезащиты; надежность действия всех элементов молниезащиты; большой срок службы, достигающий десяти и более лет; возможность применения недорогих материалов и использование конструктивных элементов здания или сооружения; наглядность монтажа, использование предупредительных и воспрещающих знаков или ограждений, т. е. создание условий безопасности для персонала объекта или посторонних людей; сравнительно несложная эксплуатация; незатрудненный доступ ко всем элементам для контроля, восстановления или ремонта.
Молниеотводы создают зону защиты. Под зоной защиты понимают пространство в окрестности молниеотвода, характеризующееся тем, что вероятность прорыва молнии к любому объекту внутри зоны не превышает некоторой достаточно малой величины. Зона защиты зависит от высоты молниеотводов, их числа и взаимного расположения, высоты ориентации облака, атмосферных и геологических условий, экранирующего действия близлежащих объектов и других факторов. Строение считается полностью защищенным от прямых ударов молнии, если ни одна его точка не выступает из зоны защиты.
Для расчетов установки молниезащиты требуется выявить исходные данные, основными из которых являются габариты защищаемого объекта, удельное электрическое сопротивление грунта, наличие в зоне подземных коммуникаций, инженерно-геологические и метеорологические условия, а также ряд других данных, вводимых в электрические и механические расчеты отдельных конструктивных элементов молниезащитного устройства.
Современная система молниезащиты обязательно должна включать в себя три основные составляющие: внешнюю, внутреннюю системы и заземление. Внешнюю систему проектируют под каждый конкретный объект, учитывая все выступающие части: трубы, слуховые окна, антенны, металлические водостоки и т. д. Ее задача – принять на себя разряд молнии и отправить его по токоотводам на заземление.
Внутренняя система состоит из шины выравнивания потенциалов, объединяющей все металлоконструкции здания, и разрядников, которые нейтрализуют импульс перенапряжения, попадающий в строение по линиям электропередачи или системам коммуникаций, защищая таким образом все электроприборы в доме и всю электропроводку от любого вида импульсного перенапряжения. В заземлении используют оцинкованные материалы без применения сварки, так как черный металл в земле быстро корродирует.
В современной практике молниезащиты используются следующие типы молниеприемников (см. схему): стержневые, тросовые или антенные, сетчатые. Кроме того, для комплексной защиты сооружений могут применяться комбинированные типы, например тросостержневые. В связи с простотой изготовления и дешевизной наибольшее применение получили стержневые молниеприемники.
Сетчатые молниеприемники достаточно высоконадежны и широко применяются при защите сооружений III категории, а устанавливаются непосредственно на защищаемом здании. Тросовые молниеприемники не уступают стержневым по экономическим параметрам, но с точки зрения эксплуатации являются менее надежными и используются лишь для защиты весьма протяженных объектов.
Виды молниеотводов
Молниеотвод принципиально состоит из следующих элементов (см. схему): молниеприемника 1, непосредственно воспринимающего прямой удар молнии; токоотвода 2, направляющего ток молнии к заземлителю; заземлителя 3, отводящего ток в землю, и несущей конструкции 4, предназначенной для установки молниеприемника.
Для целей молниезащиты целесообразно использовать конструктивные особенности здания, например несущие конструкции, металлические элементы и т. п. Для заземления молниезащиты рекомендуется использовать фундаментный заземлитель (фундаментная плита или ленточный фундамент). Через лепестковый ввод естественный заземлитель связан с уравнителем потенциалов в здании. Это заземление может служить и для повторного заземления электроустановки.
В условиях новостройки достаточно выполнить в бетонной стене выше уровня грунта лепестковый ввод к естественному заземлителю. Для создания зон защиты применяют одиночный стержневой молниеотвод, двойной стержневой молниеотвод, многократный стержневой молниеотвод, одиночный или двойной тросовый молниеотвод.
Токоотводы – соединения молниеприемника с заземлением – изготавливают из стали площадью поперечного сечения не менее 35 мм2 или многопроволочного троса такого же сечения. Токоотводы прокладывают непосредственно по стенам и крышам здания с возможно большим удалением от электропроводки и заземляют в малодоступных местах. Все соединения токоведущих элементов выполняют с помощью сварки. Сварная площадь контакта должна быть не менее удвоенной площади сечения токоотвода. Под токоотводы можно использовать металлические конструкции: пожарные лестницы, рамы, арматуру железобетонных элементов.
Заземлители бывают вертикальными (в виде забитых в землю стержней), горизонтальными (в виде лучей или колец из стальных полос) и комбинированными. Покрывать элементы заземлителя лаком или битумом запрещается. Соединяют их в одну заземляющую систему только сваркой. Как правило, заземлители располагаются снаружи здания на расстоянии 0,8…1 м от фундамента.
Стержневые и тросовые молниеотводы подразделяются на одиночные, двойные и многократные (последние представляют собой не менее трех молниеотводов других типов, расположенных не на одной прямой). Многократный стержневой молниеотвод применяется для защиты от прямых ударов молнии сооружений больших размеров или нескольких сооружений, занимающих значительную территорию. Тип молниеотвода зависит от категории строения. Здания и сооружения I категории защищают, как правило, отдельно стоящими стержневыми или тросовыми молниеотводами.
Величина импульсного сопротивления заземления для каждого отдельно стоящего или для каждого тросового молниеотвода должна быть не более 10 Ом. Здания и сооружения II категории защищают от прямых ударов молнии отдельно стоящими или установленными на зданиях неизолированными стержневыми и тросовыми молниеотводами, а также путем наложения молниезащитной сетки на кровлю здания либо использования в качестве молниеприемника металлической кровли.
Число токоотводов, соединяющих молниеприемную сетку или металлическую кровлю с заземлителями, определяется исходя из того, что расстояние между ними должно быть равно 25 м и их обязательно прокладывают по углам здания.
Молниезащитная сетка выполняется с ячейками площадью не более 36 м2 (6х6 м). Металлические элементы здания или сооружения, расположенные на крыше (трубы, вентиляционные устройства), обязательно соединяют со стальной кровлей или молниеприемной сеткой, а неметаллические части строения, возвышающиеся над кровлей, оборудуют дополнительными молниеприемниками, присоединенными к металлу крыши или сетке. Величина импульсного заземления каждого заземлителя защиты от прямого удара молнии должна быть не более 10 Ом.
Особые требования согласно Инструкции РД 34.21.122-87 предъявляются к молниезащите наружных железобетонных или металлических емкостей, содержащих взрывоопасные газы, пары, горючие и легковоспламеняющиеся жидкости.
Защита зданий и сооружений III категории может быть выполнена молниеотводами любой модификации. Площадь ячеек молниеприемной сетки, укладываемой на плоской кровле, в этом случае должна быть не более 150 м2 (12х12 м). Величина импульсного сопротивления каждого заземлителя защиты от прямого удара молнии должна составлять не более 20 Ом.
https://www.lobanov-logist.ru/library/all_articles/54626/