Блискавка
Кожен з нас неодноразово спостерігав грозу, бачив блискавки і чув грім. І звичайно, хотів дізнатися, що це таке. Вивченням цього явища природи займалися багато вчених, зокрема Б. Франклін, М. в. Ломоносов, Р. В. Ріхман. У 1753 р., досліджуючи атмосферну електрику, Р. В. Ріхман загинув від удару блискавки.
Як же утворюються грозові хмари? При нагріванні атмосфери теплі повітряні маси піднімаються вгору, а холодні опускаються вниз. В результаті зіткнення різні повітряні потоки і хмари електризуються. При цьому одна частина хмари (наприклад, верхня) електризується позитивно, а інша – негативно.
Напруга між двома хмарами, а також між хмарами і Землею досягає десятків мільйонів вольт. В результаті між хмарами або між хмарою і Землею виникає гігантська іскра – блискавка. Довжина блискавки досягає декількох кілометрів, а діаметр її каналу іноді становить метр і більше. Сила струму в каналі блискавки величезна: від 1-2 до 200 кА. Однак тривалість розряду мала: вона становить тисячні частки секунди. Тому загальний заряд, що протікає при одному спалаху блискавки, не перевершує десятки або сотні кулонів.
Удари блискавок виключно небезпечні. Блискавка може зруйнувати будівлю, опору електропередач, заводську трубу, викликати пожежу і т. д. Особливо небезпечна блискавка для людини. Її смертельний удар для всього живого, але в людей і тварин блискавка вдаряє порівняно рідко і тільки в тих випадках, коли сама людина через незнання створює для цього сприятливі умови.
Блискавка найчастіше вдаряє в високі предмети, а з двох предметів однакової висоти – в той, який є кращим провідником. Перебуваючи у полі, не можна ховатися від дощу під самотньо стоїть деревом або в копиці сіна, а в лісі треба йти від дуже високих дерев. Перебуваючи в горах, найкраще ховатися від дощу в печеру або під глибокий уступ.
Для захисту самотньо стоять споруд (будівель, опор ліній електропередач і т. д.) поблизу них встановлюють щоглу з загостреним металевим стрижнем, який добре з’єднаний (спаяний, зварений) товстим дротом із закопаним глибоко в землю металевим предметом. Цей пристрій отримало назву блискавковідводу (часто називають громовідводом).
Спрощено принцип роботи блискавковідводу можна пояснити так. Грозова хмара своїм електричним полем наводить у молниеотводе електричний заряд, у якого знак протилежний знаку заряду хмари. Цей заряд, стікаючи з вістря блискавковідводу, нейтралізує заряд хмари. Захищається блискавковідводом простір на поверхні Землі визначається висотою блискавковідводу.
Конструктивні особливості блискавковідводів
Існує три основних види блискавкозахисту від прямого удару: стрижневий, тросовий, сітчастий. В цій роботі розглядаються переважно стрижневі блискавковідводи, інші види розглядаються в ДСТУ Б В.2.5-38:2008 та керівному документі РД 34.21.122-87 «Инструкция по устройству молниезащиты зданий и сооружений»
Блискавковідвід,— пристрій, який сприймає удар блискавки і відводить її струм в землю. Блискавковідвід, що стоїть окремо – блискавковідвід, розташований таким чином, що шлях струму блискавки не має контакту з об’єктом, який він захищає.
Блискавковідводи складаються з блискавкоприймача на опорі, струмовідводу та заземлювача.З’єднання цих окремих частин блискавковідводу слід виконувати лише зварюванням і як виключення – для ІІІ рівня захисту допускається болтове зєднання.
Опори стрижньових блискавковідводів розраховуються на вітрове навантаження як вільностоячі конструкції, а опори тросових блискавковідводів – з урахуванням натягу троса і дії на нього навантаження вітру та ожеледиці. Їх можна виконувати зі сталі будь-якої марки, залізобетону або дерева відповідно до проведених розрахунків.
Блискавкоприймач— частина блискавковідводу, призначена для перехоплення блискавок. Блискавкоприймачі можуть бути спеціально встановленими, у тому числі на об’єкті, або їх функції виконують конструктивні елементи об’єкта, що захищається; в останньому випадку вони називаються природними блискавкоприймачами.
Для звичайних об’єктів в якості природних блискавкоприймачів можуть розглядатися конструктивні елементи будівель і споруд (металеві покрівлі захищуваних об’єктів, металеві конструкції даху, металеві елементи типу водостічних труб чи прикрас, металеві огорожі по краю даху, технологічні металеві труби і резервуари) при умові, що їх переріз не менший від значень, визначених для звичайних блискавкоприймачів.
Спеціально встановлені блискавкоприймачі можуть складатися з довільної комбінації таких елементів: стрижнів, натягнутих дротів (тросів), сітчастих провідників (сіток). У разі спеціального виготовлення їх матеріал і розміри повинні задовольняти вимогам табл. 1
Таблиця 1– Матеріал і мінімальні перерізи блискавкоприймачів
| Рівень захисту | Матеріал | Переріз блискавкоприймача, мм2 |
| I-IV | Сталь | |
| I-IV | Алюміній | |
| I-IV | Мідь |
Вказані значення можуть бути збільшені в залежності від підвищеної корозії або механічних дій. Довжина блискавкоприймача має бути не меншою від 200 мм. Його захищають від корозії оцинкуванням, лудінням і т.п.
При влаштуванні тросового захисту переріз троса складає не менше 35 мм2
Струмовідвід— частина блискавковідводу, призначена для відведення струму блискавки від блискавкоприймача до заземлювача. Виконується зі сталевого дроту круглого січення з мінімальним перерізом 50 мм2 , діаметром не менше 8 мм або прямокутним профілем розміром 4 х 12 мм.
Заземлювач —провідна частина або сукупність з’єднаних між собою провідних частин, які перебувають в електричному контакті з землею безпосередньо або через проміжне провідне середовище, наприклад, бетон.
Заземлювачі є підземним закінченням системи і бувають природними та штучними. В усіх випадках рекомендується застосовувати природні заземлювачі. Природні заземлювачі – металеві і залізобетонні конструкції будівель, споруд, зовнішніх установок, опор блискавковідводів, що стоять окремо, тощо, які перебувають у контакті з землею, у тому числі залізобетонні фундаменти в неагресивних, слабоагресивних і середньоагресивних середовищах за умови забезпечення неперервного електричного зв’язку по їх арматурі і приєднання її до закладних деталей за допомогою зварювання.
Штучні заземлювачі застосовуються, якщо неможливе застосування природних заземлювачів. При цьому штучний заземлювач не розраховується, а виконується зі стандартної конструкції.
Штучні заземлювачі поділяються на:
– заглиблені – зі стрічкової чи круглої сталі, укладеної на дно фундаментів по периметру
– вертикальні– загвинчені стрижні довжиною 2,5 м і діаметром 12-20 мм (мінімальний переріз 100 мм2), або кутникова сталь 40х40
– горизонтальні – з круглої чи штабової сталі перетином не менше 160 кв мм і довжиною 2-40 м, укладені на глибині 0,6-0,8 м
Для блискавковідводів, що стоять окремо, використовуються наступні штучні заземлювачі:
– для І і ІІ рівня блискавкозахисту – заземлювач, який складається з трьох і більше вертикальних електродів довжиною не менше ніж 3 м, об’єднаних горизонтальним електродом і відстанню між ними не менше ніж 3 м;
– для ІІІ рівня блискавкозахисту – заземлювач, який складається мінімум з двох вертикальних електродів довжиною не менше ніж 3 м, об’єднаних горизонтальним електродом і відстанню між ними не менше ніж 3 м;
– для ІV рівня блискавкозахисту – заземлювач, який складається з одного вертикального або горизонтального електрода довжиною 2÷3 м, прокладеним на глибині не менше ніж 0,5 м.
У всіх випадках, за винятком використання блискавковідводу, що стоїть окремо, заземлювачі блискавкозахисту слід суміщати із заземлювачами електроустановок і засобів зв’язку . Якщо ці заземлювачі повинні бути розділені за будь-якими технологічними міркуваннями, їх слід об’єднати в загальну систему за допомогою системи вирівнювання потенціалів.
Штучний заземлювач перевіряється щорічно перед початком грозового сезону. Опір заземлювачів блискавкозахисту не повинен перевищувати результати відповідних вимірів під час приймання блискавкозахисту в експлуатацію більш ніж у 5 разів.
Розміри блискавковідводів залежать від вибраного рівня захисту об’єкта.
Зона захисту блискавковідводу – простір, усередині якого будівельна конструкція захищена від прямого удару блискавки з надійністю не нижче визначеного значення: для об’єктів І рівня блискавкозахисту 99,0 % і вище, для об’єктів ІІ рівня блискавкозахисту 95 – 99 %, для об’єктів ІІІ РБЗ – 90 – 95 % і не нижче ніж 85 % – для об’єктів ІV рівня блискавкозахисту
§
Стандартною зоною захисту одиничного стрижньового блискавковідводу висотою h є круговий конус висотою hо < h, вершина якого співпадає з вертикальною віссю блискавковідводу. Габарити зони визначаються двома параметрами: висотою конуса hо і радіусом конуса на рівні землі rо (рис 1).
Рис 1. Зона захисту одиничного стрижньового блискавковідводу:
а) – розміщеного на перетині діагоналей покрівлі будинку; б) розміщеного поза будівлею
З рисунку видно, що блискавковідвід, розміщений посередині будівлі, більш ефективно захищає її від ПУБ
h– висота блискавковідводу, м
hо – максимальна висота зони захисту безпосередньо біля блискавковідводу, м
hх– висота зони захисту об’єкта (максимальна висота будівлі), м
rо– радіус конуса захисту на поверхні землі, м
rх– радіус зони захисту в горизонтальному перерізі на висоті hx
Наведені нижче розрахункові формули (табл. 2) придатні для блискавковідводів висотою до 150 м. При більш високих блискавковідводах слід користуватися спеціальною методикою розрахунку.
Таблиця 2
| Надійність захисту РЗ | Рівень зони захисту | Висота блискавковідводу h, м | Висота конуса захисту hо, м | Радіус конуса rо, м |
| 0,9 | ІІІ | від 0 до 100 | 0,85h | 1,2h |
| від 100 до 150 | 0,85h | [1,2–10-3(h–100)]h | ||
| 0,99 | ІІ | від 0 до 30 | 0,8h | 0,8h |
| від 30 до 100 | 0,8h | [0,8–1,43·10-3(h–30)] h | ||
| від 100 до 150 | [0,8 – 10-3(h – 100)]h | 0,7h | ||
| 0,999 | І | від 0 до 30 | 0,7h | 0,6h |
| від 30 до 100 | [0,7–7,14·10-4(h – 30)]h | [0,6–1,43·10-3 (h–30)] h | ||
| від 100 до 150 | [0,65 – 10-3(h – 100)]h | [0,5 – 2·10-3 (h – 100)]h |
Для зони захисту одиничного стрижньового блискавковідводу радіус горизонтального перерізу rхна висоті hx визначається формулою:
rх = ro (ho– hx)/ ho [5]
Тому при розрахунку параметрів стрижньового блискавковідводу в залежності від типу зони захисту користуються наступними співвідношеннями (таблиця 3, 3а):
Таблиця 3
Параметри зони захисту об’єкта від ПУБ при висоті блискавковідводу до 30 м
| Параметр | Зона І (99,0-99,5%) | Зона ІІ (95-99 %) |
| rx (перетин діагоналей будівлі) | (S2 L2)0,5/2 | (S2 L2)0,5/2 |
| rx (поза межами будівлі, рис 2б) | Визначити за геометричними співвідношеннями | |
| hx | Hб ( висота об’єкта) | Hб ( висота об’єкта) |
| h | rx/0,6 hx/0,7 | (rx hx)/0,8 |
| ho | 0,7 h | 0,8 h |
| ro | 0,6 h | 0,8 h |
Таблиця 3а
Параметри зони захисту об’єкта при висоті блискавковідводу від 30 до 100 м
| Параметр | Зона І (99,0-99,5%) | Зона ІІ (95-99 %) |
| rx (перетин діагоналей будівлі) | (S2 L2)0,5/2 | (S2 L2)0,5/2 |
| rx (поза межами будівлі, рис 2б) | Визначити за геометричними співвідношеннями | |
| hx | Hб ( висота об’єкта) | Hб ( висота об’єкта) |
| h* | Див примітку |  |
| ho | [0,7–7,14·10-4(h – 30)]h | 0,8 h |
| ro | [0,6–1,43·10-3 (h–30)] h | [0,8–1,43·10-3(h–30)] h |
Примітка: Для зони І рівня захистуh визначається як корінь кубічного рівняння за формулами Кадано, або числовим методом
Для зони ІІ рівня захисту
і 
§
Блискавковідвід вважається подвійним, коли відстань між стрижньовими блискавкоприймачами L не перевищує граничної величини Lmax. В супротивному випадку обидва блискавковідводи розглядаються як одиничні.
Конфігурація вертикальних і горизонтальних перерізів стандартних зон захисту подвійного стрижньового блискавковідводу (висотою h і відстанню L між блискавковідводами) надана на рис 2. Побудова зовнішніх областей зон подвійного блискавковідводу (напівконусів з габаритами hо, rо) виконується за формулами табл. 2, 3, 3а для одиничних стрижньових блискавковідводів. Розміри внутрішніх областей визначаються параметрами ho і hс, перший з яких задає максимальну висоту зони безпосередньо біля блискавковідводів, а другий -мінімальну висоту зони посередині між блискавковідводами (практично вона не повинна бути меншою від висоти об’єкту захисту.
При відстані між блискавковідводами L≤Lc межа зони не має провисання
(hc = hо). [6]
Для відстаней Lс≤ L ≤ Lmax висота hс визначається за формулою
hc = hо ×(Lmax – L)/ (Lmax – Lс) [7]
Рис 2. Зона захисту подвійного стрижньового блискавковідводу
L – відстань між блискавковідводами h– висота блискавковідводу
hо – максимальна висота зони захисту безпосередньо біля блискавковідводу
rо– радіус конуса захисту (торцева частина зони захисту)
rх– максимальна напівширина зони в горизонтальному перерізі на висоті hx
hс– мінімальна висота зони захисту посередині між блискавковідводами
rсх– напівширина горизонтального перерізу в центрі між блискавковідводами
Граничні відстані Lmax і Lc для блискавковідводів висотою до 150 м обчислюються за емпіричними формулами табл. 4. При більшій висоті блискавковідводів слід користуватися спеціальним програмним забезпеченням.
Таблиця 4. Розрахунок параметрів зони захисту подвійного стрижньового блискавковідводу
| Надійність захисту Р3 | Висота блискав-ковідводу h, м | Lmax , м | Lc, м |
| 0,9 | від 0 до 30 | 5,75 h | 2,5h |
| від 30 до 100 | [5,75 – 3,57·10-3(h – 30)] h | 2,5h | |
| від 100 до 150 | 5,5h | 2,5h | |
| 0,99 | від 0 до 30 | 4,75h | 2,25h |
| від 30 до 100 | [4,75–3,57·10-3(h – 30)] h | [2,25 – 0,01007(h – 30)] h | |
| від 100 до 150 | 4,5h | 1,5h | |
| 0,999 | від 0 до 30 | 4,25h | 2,25h |
| від 30 до 100 | [4,25–3,57·10-3(h – 30)] h | [2,25–0,01007(h –30)] h | |
| від 100 до 150 | 4,0h | 1,5h |
Розміри горизонтальних перерізів зони обчислюються за наступними формулами, загальними для всіх рівнів надійності захисту:
– максимальна напівширина зони rхвгоризонтальному перетині на висоті hx вичисляється за формулою :
rх = ro (ho– hx)/ ho [8]
– довжина горизонтального перерізу lx2
на висоті hx2 ≥ hc:
lx= L× (ho– hx2)/(2× (ho– hс)) [9]
при hx < hc : lx = L / 2 [10]
– ширина горизонтального перерізу в центрі між блискавковідводами 2rсх на висоті hx ≤ hc :
2rсх = 2ro (hс– hx)/ hс[11]
При значенні мінімальної висоти зони захисту посередині між блискавковідводами hc = hxширина горизонтального перерізу в центрі між блискавковідводами 2rсх стає рівною 0, rсх = 0
§
Стандартні зони захисту одиничного тросового блискавковідводу висотою h обмежені симетричними двосхилими поверхнями, що створюють у вертикальному перерізі рівнобедрений трикутник з вершиною на висоті hо<h і основою на рівні землі 2rо (Рис. 3).
Наведені нижче розрахункові формули (табл. 5) придатні для блискавковідводів висотою до 150 м. При більшій висоті слід користуватися спеціальним програмним забезпеченням. Тут і далі під h розуміється мінімальна висота троса над рівнем землі (з урахуванням провисання).
Рис 3. Зона захисту одиничного тросового блискавковідводу
h – мінімальна висота тросу над рівнем землі hо – висота зони захисту
rо – напівширина зони захисту на поверхні землі L – відстань між точками підвісу тросів
rx – напівширина зони захисту на висоті hх від поверхні землі
Таблиця 5.
Розрахунок зони захисту одиничного тросового блискавковідводу
| Надійність захисту Р3 | Висота блискавковідводу h, м | Висота зони захисту hо, м | Напівширина зони захисту rо, м |
| 0,9 | від 0 до 150 | 0,87 h | 1,5 h |
| 0,99 | від 0 до 30 | 0,8 h | 0,95 h |
| від 30 до 100 | 0.8 h | [0,95–7,14·10-4(h–30)]h | |
| від 100 до 150 | 0,8 h | [0,9–10-3(h–100)] h | |
| 0,999 | від 0 до 30 | 0,75 h | 0,7 h |
| від 30 до 100 | [0,75–4,28·10-4(h–30)] h | [0,7–1,43·10-3(h–30)] h | |
| від 100 до 150 | [0,72–10-3(h–100)] h | [0,6–10-3(h–100)] h |
Напівширина rx зони захисту необхідної надійності одиничного тросового блискавковідводу на висоті hх від поверхні землі визначається за формулою
rх = ro (ho– hx)/ ho [12]
При необхідності розширити об’єм, що захищається, до торців зони захисту власне тросового блискавковідводу можуть додаватися зони захисту несучих опор, які розраховуються за формулами одиничних стрижньових блискавковідводів. У разі великих провисань тросів, наприклад, на повітряних лініях електропередавання, рекомендується розраховувати забезпечувану імовірність прориву блискавки програмними методами, оскільки побудова зон захисту за мінімальною висотою троса в прольоті може привести до невиправданих витрат.
§
§
Таким чином, послідовність розрахунку блискавкозахисту наступна:
1. Класифікувати об’єкт за блискавкозахистом: звичайний або спеціальний (пп.. 4.2.1, 4.2.2 ДСТУ)
2. Визначити інтенсивність грозової діяльності, питому густину ударів блискавки в рік (формула 1) та очікувану кількість уражень об’єкту блискавкою за рік (формули 2,3 або 4). Для цього визначити середньорічну тривалість гроз для заданого міста України (карта Додатку 2), щільність ударів блискавки на 1 км2 земної поверхні за рік (формула 1), визначити чи є об’єкт зосередженим або протяжним, скористатися формулами (2)-(4).
3. Визначити клас пожежної і вибухової небезпеки об’єкту за ПУЕ та ступінь вогнетривкості будинків і споруд
4.Визначити рівень блискавкозахисту об’єкту, що вимагається (таблиця Додатку 1) та категорію пристроїв блискавкозахисту
5. Обрати вид блискавкоприймача (природний або спеціально встановлений) та тип блискавковідводу (чи групи блискавковідводів) і його розташування на території чи об’єкті
6. Розрахунок і графічна побудова зони блискавкозахисту будівлі. Розрахувати параметри блискавкоприймача (висоту, місце розташування) та побудувати креслення зони захисту.
7. Контрольні питання по роботі
1. Природа виникнення блискавки
2. Дія розряду блискавки на промислові об’єкти
3. Первинні і вторинні прояви блискавки.
4. Що таке рівень блискавкозахисту?
5. Як визначити необхідний рівень блискавкозахисту?
6. Як вибирається тип зони та рівень блискавкозахисту об’єкту?
7. Скільки є рівнів блискавкозахисту об’єкту?
8. Яким нормативним документом нормується блискавкозахист?
10. Конструктивні елементи блискавковідводу
12. Зона захисту одиничного стрижньового блискавковідводу та її габарити
13. Зона захисту подвійного стрижньового блискавковідводу та її габарити
14. Зона захисту одиничного тросового блискавковідводу та її габарити
15. Зона захисту промислового майданчика великої площі (багаторазовий блискавковідвід) та її габарити
