Расчет молниеотвода

Правилами пожарной безопасности в Российской Федерации (ППБ-01-93) в гаражах для  хранения транспортных средств воспрещается проводить ремонтные работы с  использованием бензина, керосина, дизельного топлива и других растворителей  для промывки деталей, а также окраску, сварку и любые работы, связанные с открытым огнем. В гаражах разрешается хранение 20 литров топлива и 5 литров масла. 
 
Но специфика работы сельского труженика заключается в том, что половину года он работает в поле или на огороде, а половину года он ремонтирует технику или занимается строительством. 
 
Гараж с наступлением холодов и окончанием полевых работ превращается в ремонтную мастерскую, в которой производят не только разрешенные ремонтные работы, но все работы, которые необходимы. Гараж, как правило, приспосабливают для проведения ремонтных работ — в нем оборудуют смотровую яму, подвешивают таль, устанавливают компрессор и т.д. Запас топлива и масел хранится, как правило, под навесом в бочках у гаража или в гараже. 
 
В период полевых работ техника работает в напряженном режиме, и ее поломки неизбежны. Ремонт техники производят в гараже. Этот период совпадает с периодом интенсивной грозовой деятельности, и гараж должен быть отнесен ко II категории по устройству молниезащиты, так как в гараже возможно образование взрывоопасной смеси в результате аварии или неисправности (например, случайно опрокинули таз, в котором промывались детали в бензине, и т.д.). 
 
Правилами устройства электроустановок (ПУЭ) складское помещение, в котором хранятся твердые и волокнистые горючие вещества, относится к классу П-На. К пожароопасным помещениям класса П-Иа необходимо и отнести сараи, в которых в течение летнего и осеннего периода сосредоточивается зимний запас кормов для скота (сена, комбикормов, ячменя и т.д.). Эти строения по устройству молниезащиты должны быть отнесены к III категории. На рис. 2 изображен единичный стержневой молниеотвод, состоящий из молниеприемника, молниеотвода и заземлителя. Эти элементы присущи любой конструкции молниеотвода. 
Степень защищенности от прямых ударов молнии определяется размерами зоны защиты. 
 
Так, зона защиты типа «А» обладает меньшими размерами, но обеспечивает степень надежности 99,5%, в то время как зона «Б», обладая большими размерами, обеспечивает степень надежности только на 95% Размеры зоны защиты, образуемые молниеотводами, определяются формулами:

 
 
Для расчета молниезащиты построек на приусадебном участке с помощью  одиночного молниеотвода ниже приведена таблица

 
Для расчета молниезащиты построек на приусадебном участке с помощью  одиночного молниеотвода ниже приведена  таблица основных его параметров, вычисленных по приведенным формулам.

 
Рис. 2. Единичный стержневой молниеотвод: 1 — молниеприемник; 2 — молниеотвод; 3 — заземлитель 
 
Используя значения п, можно определить вероятное число ударов молнии в год N в конкретное здание и сооружение, не имеющее молниезащиты. И в зависимости от величины N и огнестойкости строения произвести выбор типа молниезащиты. 
 
Для строения III, IV и V степени огнестойкости при N>2 — защита типа «А», а при N<2 — типа «Б». 
 
Пример 2. На рис. 3 представлена часть плана приусадебного участка, на котором нанесено два строения, одно из которых — жилой дом, совмещенный с хозяйственными службами (в постройках старого типа именуемый «двором»), где содержатся куры, скотина, а также хранятся сухие корма, сено и дрова — строение 1. Другим строением является жилой дом — строение 2. Дома деревянные V степени огнестойкости. Размеры домов и их взаимное расположение представлены на рис. 3. Застройка — Курская область. 
 
Требуется определить место расположения и высоту одиночного стержневого молниеотвода, обеспечивающих защиту этих строений. 
Решение. Строение 1 относится к III категории. Тип зоны защиты зависит от показателя N. 
 
По карте рис. 1 определяем среднегодовую продолжительность гроз в Курской области, которая составляет от 80 до 100 час. По табл. 1 определяем среднее число ударов молнии в год на 1 км2 поверхности земли, которое равно 12.  
Расчетные данные по строению 1 следующие:

 
 
Следовательно, принимается защитная зона типа «Б». 
Для строения 2 такого расчета производить не требуется, так как в строении отсутствуют пожароопасные помещения. 
 
Для строения 2, как для жилого дома, принимается защитная зона типа «Б». Выбираем место для возведения молниеотвода. Оно должно удовлетворять следующим требованиям: при минимальной высоте молниеотвода в зоне его защиты должно находиться максимальное число приусадебных построек, место расположения молниеотвода должно быть труднодоступным (например, защищено посадкой кустарников и находиться от строения не ближе 5 метров) В том случае если молниеотвод или какая-либо деталь молниеотвода (например, оттяжка) будет находиться ближе 5 метров от зданий III, IV и V степени огнестойкости, необходимо напротив нее на здании проложить токоотвод и присоединить его под землей к заземлителю.

 
Для выбора места возведения молниеотвода целесообразно вычертить в масштабе план участка (подобно рис. 3), на котором будут указаны размеры зданий, в том числе и их высота, с учетом выступающих над крышей дымовых труб и антенн. 
 
Место возведения молниеотвода определяется методом проб. Для этого необходимо проработать не менее трех вариантов и выбрать из них лучший — имеющий минимальную высоту при максимальной защите приусадебных построек. 
 
Для иллюстрации расчетов, связанных с выбором места возведения молниеотвода и определением его высоты, продолжим решение примера 2. 
 
На рис. 3 показано расположение молниеотвода по отношению к строениям 1 и 2. 
 
Наиболее высокой и наиболее удаленной от молниеотвода точкой строения 1 является точка А, принадлежащая антенне. Ее высота составляет Н = 7,0 м, при удалении от молниеотвода на L = 16,0 м. Наиболее высокой и наиболее удаленной от молниеотвода точкой строения 2, также принадлежащей антенне, является точка Б. Ее высота составляет Н = 10,6 м при удалении от молниеотвода на расстояние L — 12 м. Как было сказано выше, единичный молниествол образует зону защиты в виде конуса, за пределы которого части строения не должны выступать. По мере увеличения высоты молниеотвода размеры конуса увеличиваются и задача определения высоты молниеотвода — это подобрать такие размеры защитного конуса, при которых даже самые высокие и удаленные точки строения не выходили бы за его пределы.

 
Учитывая, что размеры молниеотвода будут получены путем графических построений, точность которых зависит от масштаба и качества чертежа, наиболее целесообразно его выполнять на миллиметровой бумаге (миллиметровке) в масштабе не менее 1 метр натуры в 1 сантиметре чертежа. 
 
Чертеж необходимо начать с построения графика параметров молниеотводов в соответствии с табл. 2, для чего по горизонтальной оси в выбранном масштабе отложить значения Ro, а по вертикальной — Но. Отложенные точки попарно соединить прямыми линиями, как это показано на рис. 4. В том же масштабе отложить координаты точек А и Б. Определить размеры Ro и Н0 конуса, за пределы которого точки А и Б не выходят. По величине Но (по табл.2) определить Н. Точки А и Б находятся внутри конуса, Н0 которого равно 18,4 м, что соответствует полной высоте молниеотвода по табл. 2 (Н=20 м). 
 
В строениях с металлической крышей она же является и молниеприемником, поэтому соединена с заземлителем. Этот вид молниезащиты, как правило, рассчитан на защиту конкретного строения. Заземляющее устройство не зависит от формы и размеров молниеприемника, и при расчете первого в 
случае использования металлической крыши в качестве молниеприемника можно воспользоваться сведениями, приведенные выше (одиночный стержневой молниеотвод). 
 
Прежде чем приступить к расчету заземляющего устройства с достаточно малым сопротивлением, необходимо ознакомиться со свойствами земли и условиями, при которых между электродами заземления и землей может образоваться электрическое соединение с малым переходным сопротивлением. Электрофизические свойства земли, в которых находится заземлитель, определяются ее удельным сопротивлением р. За удельное сопротивление земли принимается сопротивление земли между противоположными плоскостями куба с ребрами в 1 м. 
 
Как было сказано, наша страна располагается в семи климатических поясах, температура и влажность в которых разнятся в широких пределах. Для проектирования жилых зданий территория России по физико-географическим признакам разделяется на четыре района. На рис. 5 представлена карта России (со странами СНГ), на которой обозначены границы этих районов. Однако свойства земли (грунта) со сменой времен года будут меняться даже в пределах одного района. При расчетах этот факт учитывается в сезонном коэффициенте Кс. 
 
Удельное сопротивление грунта измеряется при средней влажности и положительной температуре в Ом • метрах или Ом ■ сантиметрах (1 Ом - метр = 100 Ом ■ сантиметрам). Сезонный коэффициент Кс всегда больше единицы и призван компенсировать сезонное увеличение удельного сопротивления грунта. 
 
Удельные сопротивления грунтов р и значения сезонных коэффициентов Кс приведены в таблицах 3 и 4.

 
Приведенные в таблице 3 данные относятся  к грунтам, влажность которых  — 10— 20% к их весу. Но грунт не однороден. Верхняя часть грунта на глубину  около метра более подвержена намоканию, высыханию и промораживанию, что значительно изменяет удельное сопротивление верхней части грунта. Слои грунта, лежащие ниже уровня промерзания, имеют более стабильные показатели по влажности и температуре. За-землители могут быть выполнены в виде вертикальных электродов или электродов в виде горизонтальных полос. Для того чтобы расположить электроды в более влажных и непромерзающих слоях грунта, их заглубляют так, чтобы верхняя часть вертикальных электродов находилась на глубине 0,7— 1,0 м, а горизонтальные — полностью находились на этой глубине.

 
Верхний пахотный слой земли на приусадебном участке — это одна из самых  больших ценностей крестьянского  двора. Слой чернозема наращивается трудом нескольких поколений и именно слой чернозема имеет решающее значение в получении урожая. Раскрытие и прокладка коммуникаций в крестьянском дворе, как правило, производится под дорогами, так как рытье канав связано с перемешиванием грунта, а следовательно, и потерей плодородного слоя. Заземлители молниеотводов, во избежание шагового поражения людей, должны располагаться в стороне от пешеходных дорожек, а следовательно на земле, которая может быть использована для выращивания различных культур, в силу чего разрытие должно быть минимальным. Этим требованиям удовлетворяет заземляющее устройство с вертикальными заземлителями. 
 
Основной электрической характеристикой заземлителя является сопротивление растеканию тока. Предположим, что в земле находится электрод и через него происходит замыкание на землю (рис. 6). Вокруг электрода образуется электрическое поле и зона повышенных потенциалов, которые по мере удаления от электрода уменьшаются и на расстоянии 20 м становятся близкими к 0. Это явление называется растеканием тока. В зоне растекания тока находиться опасно. Как показано на рис. 6, передние ноги лошади находятся ближе к заземлителю в зоне потенциала V2, а задние ноги — под потенциалом Vi. Лошадь в данном случае является сопротивлением, к которому приложена разность потенциалов V2—Vi. В результате по лошади (через передние ноги, тело лошади и задние ноги) будет протекать ток, сила которого равна J = V2—Vi / R лошади, что может вызвать поражение электрическим током, называемое напряжением шага.

 
Зная величину удельного сопротивления  грунта и длину электродов, можно, пользуясь приближенной формулой из таблицы 5, определить сопротивление  растеканию одиночного электрода.

 
Искусственные заземлители, как правило, состоят из нескольких электродов, соединенных между собой проводниками. В том случае, если исключить их взаимное влияние друг на друга, расстояние между ними в заземлении должно быть не менее 25 м. Чем ближе находятся электроды один от другого, тем в большей степени сказывается их взаимное влияние. Для учета взаимного влияния электродов устанавливается коэффициент использования заземлителей г]. 
В таблице 6 приведены коэффициенты использования вертикальных электродов, размещенных в ряд.

 
* а — расстояние между электродами  в м; 1 — длина электрода в м. 
Сопротивление заземлителей при растекании тока молнии называется импульсным, и его определяют по формуле 
 
где: 
 
R — сопротивление заземлителей при низкой частоте и малых плотностях токов на поверхности — при токах промышленной частоты; 
аи — импульсный коэффициент; RH — сопротивление заземлителей при растекании тока молнии — импульсное сопротивление. 
 
Импульсное сопротивление непосредственному измерению не поддается, поэтому его оценивают косвенно по сопротивлению при промышленной частоте RH и импульсному коэффициенту аи. Но импульсный коэффициент аи зависит от удельного сопротивления земли. Он тем меньше, чем больше удельное сопротивление грунта. Значение импульсного коэффициента аи в зависимости от удельного сопротивления грунта при вертикальных электродах представлено в таблице 7.

 
Связь между сопротивлениями при  импульсе и промышленной (низкой) частоте  представлена в таблице 8.

 
Пример 3. Необходимо определить величину сопротивления заземлителей на промышленной частоте для присоединения к  нему импульсного заземлителя с  сопротивлением 40 Ом * ргр. = 500 Ом * м. 
 
Решение. Импульсному заземлителю величиной 40 Ом соответствует заземлитель, рассчитанный по переменному току, сопротивление которого равно 60 Ом. В качестве технических способов электрозащиты в сельском доме применяются зануление и молниезащита. В ряде случаев требуется повторное заземление нулевого провода. Его необходимо выполнять на концах воздушных линий или ответвлениях длиной более 200 м, а также на вводах в здания, установки которых подлежат заземлению. Сопротивление каждого из повторных заземлителей на линиях 380/220 В — 30 Ом. 
 
От прямых ударов молнии здания и сооружения II категории защищают заземли-телями с импульсным сопротивлением не более 10 Ом, а в грунтах с удельным сопротивлением 500 Ом * м и выше — с сопротивлением не более 40 Ом. 
 
От прямых ударов молнии здания и сооружения III категории защищают заземли-телями с импульсным сопротивлением не более 20 Ом, а в грунтах с удельным сопротивлением 500 Ом * м и выше допускается не более 40 Ом. Для защиты ферм крупного рогатого скота и конюшен сопротивление не должно превышать 10 Ом. 
 
Заноса высокого потенциала в здания и сооружения II категории можно избежать при применении кабельного ввода или кабельной вставки длиной не менее 50 м, а внешние наземные металлические коммуникации на вводе необходимо присоединить к грозозащитному или повторному заземлению. 
 
Защиту зданий III категории от заноса высоких потенциалов по линиям электросети можно осуществить с помощью мер, предусмотренных для зданий II категории или благодаря присоединению к защитному заземлению внешних металлических коммуникаций на вводе, включая штыри и крюки изоляторов (рис. 7). 
 
Пример 4. Определить количество электродов заземлителя, изготовленных из стали диаметром 12 мм, длиной 5 м. В за-землителе электроды расположены в ряд с расстоянием 5 м и соединены между собой стальным прутком диаметром 12 мм. 
 
Приусадебный участок расположен под Москвой. Грунт участка — песок с удельным сопротивлением 750 Ом-м (р^. = 750 Ом-м.). Решение. На участке расположены строения, относящиеся по классификации зданий и сооружений по устройству молниеза-щиты к зданиям III категории. Импульсное сопротивление заземлителя не должно превышать 20 Ом, а в грунтах с удельным сопротивлением 500 Ом ■ м и выше — не более 40 Ом. 
 
По таблице 8 методом интерполяции устанавливаем, что импульсному сопротивлению в 40 Ом при удельном сопротивлении грунта ргр. ~ 750 Ом • м соответствует сопротивление заземления, равное 70 Ом (R = 70 Ом). Определим значение удельного сопротивления грунта с учетом сезонного коэффициента Кс (см. табл. 4). По карте схематического районирования страны (рис. 5) определяем, что земли Подмосковья относятся ко второму климатическому району, сезонный коэффициент которого для электродов длиной 6 м равен 1,25.