4. Защита от прямых ударов молнии
Прямой удар является наиболее опасным из всех проявлений молнии с точки зрения поражений зданий и сооружений. Многолетние наблюдения и данные свидетельствуют о том, что подавляющее большинство пожаров и разрушений при грозовых разрядах вызвано именно прямыми ударами молнии.
Поскольку прямой удар молнии в здание или сооружение представляет большую опасность, то следует подробнее рассмотреть отдельные элементы различных систем, обеспечивающих надежную молниезащиту.
4.1. Молниеотводы
В настоящее время защита зданий и сооружений от прямых ударов молнии осуществляется при помощи молниеотводов различных модификаций.
Молния имеет свойство избирательно поражать заземленные (электропроводность стремится к бесконечности) и возвышающиеся над поверхностью земли металлические предметы. Защитное действие каждого типа молниеотвода основано на этой особенности грозового разряда.
Молниеотвод представляет собой возвышающееся над защищаемым объектом устройство, воспринимающее прямой удар молнии и отводящее токи молнии (посредством определенной системы заземления) в землю. Каждый молниеотвод независимо от типа состоит из следующих основных элементов (рис. 6): молниеприемника 1, непосредственно воспринимающего прямой удар молнии; несущей конструкции 2, предназначенной для установки молниеприемника; токоотвода 3, обеспечивающего отвод тока молнии к заземлителю; заземлителя 4, отводящего ток молнии в землю и обеспечивающего контакт с землей молниеприемника и токоотвода.
В современной практике молниезащиты используют следующие типы молниеотводов: стержневые (рис. 6); тросовые или антенные (рис. 7а) и сетчатый (рис. 76). Кроме того, для комплексной защиты сооружений в ряде случаев применяют комбинированные типы молниеотводов (например тросово-стержневые, рис. 7в).
Благодаря простоте изготовления и дешевизне получили наибольшее распространение стержневые молниеотводы, обеспечивающие высокую надежность в эксплуатации.
Хотя тросовые молниеотводы, и не уступают стержневым по своим экономическим показателям, с точки зрения эксплуатации они являются менее надежными и используются лишь для защиты весьма протяженных объектов.
Сетчатые молниеотводы, обладающие достаточно высокой степенью надежности, широко применяются при защите сооружений III категории. В ряде случаев они по своим экономическим показателям (сравнительно небольшой расход металла, отсутствие железобетонных конструкций, простота изготовления, монтажа и эксплуатации) превосходят стержневые и тросовые молниеотводы и могут быть использованы и для защиты сооружений I и II категорий, когда применение стержневых или тросовых молниеотводов по тем или иным причинам неприемлемо (например при значительной высоте защищаемого объекта).
В зависимости от конструктивных особенностей и назначения защищаемого объекта, а также местных условий стержневые и тросовые молниеотводы могут выполняться как отдельно стоящими, так и установленными на защищаемом сооружении.
Рис. 6. Стержневой отдельно стоящий молниеотвод
Рис. 7. Тросовый и сетчатый молниеотводы
При этом по характеру взаимодействия стержневые и тросовые молниеотводы разделяются на одиночные, двойные и многократные (количество взаимодействующих молниеотводов не менее трех, расположенных не на одной прямой).
4.2. Молниезащита I категории
Защита от прямых ударов молнии зданий и сооружений, относимых по устройству молниезащиты к I категории, должна быть выполнена, как правило, отдельно стоящими стержневыми или тросовыми молниеотводами (рис. 8 и 9), обеспечивающими зону защиты.
Рис. 10. Стержневой молниеотвод, изолированный от защищаемого объекта деревянной стойкой
Рис. 11. Максимальный потенциал стержневого молниеотвода по высоте
Рис. 8. Отдельно стоящий стержневой молниеотвод
Рис. 9. Отдельно стоящий тросовый молниеотвод
При невозможности установки отдельно стоящих молниеотводов (например из-за насыщенности подземными коммуникациями территории, прилегающей к защищаемому сооружению) допускается установка изолированных молниеотводов на защищаемом сооружении (рис. 10). Установку отдельно стоящих и изолированных стержневых или тросовых молниеотводов от защищаемого сооружения и подземных металлических коммуникаций производят в соответствии с приведенными ниже рекомендациями.
Наименьшие допустимые расстояния от токоотвода отдельно стоящего стержневого молниеотвода или молниеотвода, изолированного от сооружения (например деревянной стойкой), до защищаемого сооружения определяется по кривым рис. 111 для наиболее опасных точек, с которых возможно перекрытие на защищаемое сооружение, а именно SB — по воздуху для точки А и Бд — по дереву для точки А.
Наименьшие допустимые расстояния от тросового молниеотвода до защищаемого сооружения в наиболее опасных точках определяются: размером SBi для точки А с наибольшим провесом троса — по кривым рис. 12; размером SB2 для точки С — по кривым рис. 13—15.
Рис. 12. Потенциал в средней точке тросового молниеотвода при ударе молнии в середине пролета
Рис. 13. Потенциал токопровода на высоте 12 при ударе молнии в опору тросового молниеотвода с пролетом 50 м
Для исключения заноса высоких потенциалов в защищаемые сооружения по подземным металлическим коммуникациям необходимо заземлители защиты от прямых ударов молнии и подводы к ним располагать на расстоянии S3 от таких коммуникаций, вводимых в данное или соседние защищаемые здания или сооружения по I категории, в том числе от электрических кабелей сильного и слабого тока. Это расстояние в метрах определяется по формулам: для стержневых молниеотводов: 
Рис. 14. Потенциал токопровода на высоте при ударе молнии в опору тросового молниеотвода с пролетом 100 м
Рис. 15. Потенциал токопровода на высоте при ударе молнии в опору тросового молниеотвода с пролетом 150 м для тросовых молниеотводов:
S3 = 0,3RH,
где
RH — величина сопротивления каждого заземлителя защиты от прямых ударов молнии, Ом.
Расстояние S3 менее 3 м не допускается, за исключением случаев, когда металлические подземные трубопроводы и кабели не вводятся в защищаемое здание, а расстояние до места их ввода в соседние защищаемые здания и сооружения I категории составляет более 50 м. В этих случаях расстояние S3 может быть уменьшено до 1 м.
Для высоких сооружений (более 30 м), когда устройство отдельно стоящих или изолированных молниеотводов не представляется возможным, как исключение допускается защита от прямых ударов молнии неизолированными молниеотводами, устанавливаемыми на защищаемом сооружении. Токоотводы прокладываются по наружным стенам защищаемого сооружения. При этом должны быть выполнены следующие дополнительные условия.
- Число токоотводов от молниеприемника до заземлителя должно быть не менее двух, располагаемых на расстоянии не менее 15 м друг от друга или по противоположным сторонам здания.
- Каждый токоотвод следует присоединять к отдельному заземлителю с величиной сопротивления растеканию тока не более 5 Ом. К этим заземлителям допустимо присоединение производственных защитных заземлителей и различных металлических подземных коммуникаций. В этом случае устройство заземлителя защиты от электростатической индукции не требуется.
- По каждому этажу или не более чем через 7—8 м по высоте сооружения должны быть проложены металлические пояса (полосы) для выравнивания потенциалов на отдельных уровнях. В качестве металлических поясов можно использовать поэтажные контуры защитного заземления электроустановок. К этим поясам должны быть присоединены все токоотводы, металлические элементы конструкций и оборудование внутри защищаемого сооружения.
Высокие сооружения, имеющие металлическую крышу, не требуют установки специальных молниеприемников; в этом случае роль молниеприемника выполняет металлическая крыша.
В качестве молниеприемника допускается использовать защитную сетку с ячейками 5x5 м, выполненную из полосовой стали 20 х 4 мм, 25 х 4 мм или из стальной проволоки диаметром 8 мм, укладываемую на неметаллическую кровлю.
Подводка трубопроводов на эстакадах к защищаемому сооружению допускается только от сооружений одного и того же объекта. В этом случае вся трасса эстакады должна вписываться в зону защиты ближайших сооружений, снабженных молниезащитой, или специально установленных молниеотводов. Кроме то- на эстакадные трубопроводы должны быть у ввода в здание присоединены к заземлителю зашиты от электростатической индукции.
На ближайших двух опорах от защищаемого сооружения такие трубопроводы должны быть присоединены к специальным заземлителям с величиной сопротивления растеканию тока промышленной частоты: для опоры, ближайшей к сооружению, 5 Ом и для последующей опоры 10 Ом.
Защита от электростатической индукции должна выполняться путем присоединения всего металлического оборудования и аппаратуры защищаемого сооружения к специальному заземлителю защиты от электростатической индукции. Последовательное включение заземленных элементов в одну цепь не допускается.
Защиту от электростатической индукции можно осуществлять также наложением на кровлю сооружения сетки из стальной проволоки диаметром 6—8 мм со сторонами ячеек 8—10 м с присоединением ее к заземлителю защиты от электростатической индукции. Узлы сетки должны быть проварены сваркой.
При наличии металлической кровли последняя должна быть использована для защиты от электростатической индукции. Устройство специальной сетки в этом случае не требуется.
В случае использования для защиты от прямых ударов молнии металлической кровли или сетки устройство сетки для защиты от электростатической индукции также не требуется.
Токоотводы от сетки или металлической крыши прокладываются к заземлителю по наружным стенам сооружения с расстоянием между соседними токоотводами не более 20 м.
Заземлитель защиты от электростатической индукции рекомендуется располагать по контуру защищаемого сооружения. Допускается также располагать заземлитель в траншее на глубине не менее 0,8 м и на расстоянии 0,8—1 м от фундамента. Величина сопротивления растеканию тока заземлителя, уложенного по контуру здания или сооружения, 10 Ом. При устройстве таких заземлите- лей отдельными очагами их общее сопротивление растеканию тока промышленной частоты должно быть не более 10 Ом.
К заземлителю защиты от электростатической индукции допускается присоединение подземных металлических коммуникаций (водопровод, канализация и пр.).
Для защиты от электромагнитной индукции необходимо между трубопроводами и другими протяженными металлическими предметами (каркас сооружения, оболочки кабелей и т.д.) в местах их сближения на расстояние 10 см и меньше приваривать или припаивать через каждые 20 м длины металлические перемычки, чтобы не допускать образования незамкнутых контуров.
В соединениях между собой трубопроводов и других протяженных металлических предметов, расположенных в защищаемом сооружении, необходимо обеспечить контакт с небольшой величиной переходного электрического сопротивления. Контрольной величиной допустимого переходного сопротивления на один контакт является 0,03 Ом. При фланцевых соединениях труб такая величина сопротивления достигается нормальной затяжкой болтов при их количестве на фланец не менее 6 шт.
В местах соединений, где надежный контакт с указанной величиной переходного сопротивления не может быть обеспечен, необходимо устройство перемычек из стальной проволоки диаметром 6—8 мм или ленты сечением 25—30 мм2.
Для защиты от заноса высоких потенциалов по подземным и наземным металлическим коммуникациям (трубопроводы, кабели, протяженные конструкции) требуется присоединение их на вводах в сооружения к заземлителям защиты от электростатической индукции.
Ввод в здания и сооружения проводов воздушных линий: силовой и осветительной до 1000 В, телефонных, радио, сигнализации и т.п. — не допускается. Вводы таких линий должны быть выполнены кабелем от центрального пункта.
