МОЛНИЕЗАЩИТА СТРОИТЕЛЬНЫХ ОБЪЕКТОВ. Часть 1

Молниезащитная инсталляция в строительных объектах должна быть выполнена в соответствии с требованиями существующих норм и рекомендаций
Таблица 1. Сводка основных норм, касающихся молниезащиты

Объем тематики	Сводка норм
Молниезащита строительных объектов и выбор уровней защиты для молниезащитных устройств	IEC 61024-1, Молниезащита строительных объектов. Основные принципы. IEC 61024-1-1, Молниезащита строительных объектов. Основные принципы. Выбор уровней защиты для молниезащитных устройств. IEC 61024-1-2, Молниезащита строительных объектов. Общие правила. Руководство B – Проектирование, монтаж, консервация и проверка молниезащитных устройств.
Защита от электромагнитного импульса молнии	IEC 61312-1, Защита от электромагнитного импульса молнии. Общие правила. IEC/TS 61312-2, Защита от электромагнитного импульса молнии. (LEMP). Часть 2. Экранирование объектов, соединения внутри объектов и заземления. PN-IEC/TS 61312-3, Защита от электромагнитного импульса молнии.Часть 3. Требования к устройствам ограничения перенапряжений (SPD).
Элементы молниезащитной инсталляции	EN 50164-1, Элементы молниезащитного устройства (LPS). Часть1. Требования к соединительным элементам. EN 50164-2, Элементы молниезащитного устройства (LPS). Часть 2. Требования, касающиеся проводов и заземлителей.

Информация, содержащаяся в нормах молниезащиты и защиты от электромагнитного импульса молнии использовалась при определении объема испытаний устройств,ограничивающих перенапряжения в электрической инсталляции, в строительных объектах и в линиях передачи сигналов.
В течение нескольких лет проводятся работы , целью которых является упорядочивание норм молниезащиты. В результате этих работ созданы нормы серии IEC 62305 (Таблица 2), которые (за исключением нормы IEC 62305 - 5) в конце 2005 года были приняты к применению в странах ЕС.
Информация, содержащаяся в нормах, представленных в таблицах 1 и 2 использовалась также при разработке норм, определяющих принципы защиты различного рода объектов, которые не описаны в представленных нормах молниезащиты, или в тех случаях, когда при создании молниезащиты требовались специальные решения.

Таблица 2. Сводка норм молниезащиты серии IEC 62305

Объем тематики

Сводка норм

Нормы молниезащиты

IEC 62305-1, Protection against lightning - Part 1: General principles. IEC 62305-2, Protection against lightning - Part 2: Risk management. IEC 62305-3, Protection against lightning - Part 3: Physical damage to structure and life hazard. IEC 62305-4, Protection against lightning - Part 4: Electrical and electronic systems within structure. IEC 62305-5, Protection against lightning - Part 5 : Service.

Особенно это касается телекоммуникационных центров и ветровых электростанций. Некоторые из этих действующих норм представлены в таблице 3.
Таблица 3. Примерная сводка норм, определяющих принципы молниезащиты различных объектов

Объем тематики	Сводка норм
Защита телекоммуникационны х объектов	ITU-T Recommendation K.20. (02/00) Resistibility of telecommunication equip- ment installed in a telecommunication centre to overvoltages and overcurrents. ITU-T Recommendation K.27. (05/96) Bonding configurations and earthing in- side a telecommunication building.   ITU-T Recommendation K.40. (10/96); Protection against interference: Protec- tion against LEMP in telecommunications centers.
Телекоммуникационн ые линии	EN 61663-1:2002, Молниезащита –Телекоммуникационные линии – Часть I: Инсталляции светловодов   EN 61663-2:2002, Молниезащита –Телекоммуникационные Часть 2: Линии, выполненные металлическими проводниками
Электростанции и линии электропередач	IEEE Std. 998-1996, IEEE Guide for Direct Lightning Stroke Shielding of Substa- tion. IEEE Std. 1410TM-2004, IEEEE Guide for Improving the Lightning Performance of Electric Power Overhead Distribution Lines.
Ветровые электростанции -	IEC TR 61400-24:2002, Wind turbine generator systems- Part 24: Lightning pro- tection. IEC 88/117/CD: 1999, Wind turbine generator systems- Part 24. Lightning protec- tion for wind turbine.
Небольшие суда	ISO 10134: Small craft – Electrical devices – Lightning protection. 1993.03.01 Standard and Recommendation Practices for Small Craft. Standard E-4, Lightning Protection. American Boat and Yacht Council,. Fire Protection Standard for Motor Craft – NFPA 302, 14. National Fire Protec- tion Association
Атомные электростанции	KTA 2206 Auslegung von Kernkraftwerken gegen Blitzeinwirkungen

Создавая внутреннюю молниезащиту, следует также принимать во внимание нормы и требования, определяющие:

• принципы выравнивания потенциалов внутри строительных объектов
• требуемые уровни устойчивости подключения питания и сигнальных устройств к воздействию напряжений и импульсных токов
• свойства устройств, ограничивающих перенапряжения в электрической инсталляции и в системах передачи сигналов
• принципы подбора и монтажа устройств, защищающих электрическую инсталляцию и устройства от прямого воздействия части тока молнии, а также от всякого рода перенапряжений
• требования электромагнитной совместимости электрических инсталляций и линий передачи сигналов.

ВНЕШНЯЯ МОЛНИЕЗАЩИТА СТРОИТЕЛЬНЫХ ОБЪЕКТОВ

В момент прямого удара молнии в строительный объект правильно спроектированное и сооруженное молниезащитное устройство должно принять на себя ток молнии и отвести его в землю. Прохождение тока молнии должно произойти без ущерба для защищаемого объекта и быть безопасным для людей, находящихся как внутри, так и снаружи этого объекта.

В настоящее время все чаще появляются новые требования, предъявляемые к молниезащитным устройствам, такие как:
• ограничение внутри объекта величины импульсного электромагнитного поля, созданного током молнии,
• создание молниезащитной инсталляции эстетического вида, на объектах, построенных из разнородных материалов

1. Молниеприемники

Молниеприемниками могут быть проводящие конструктивные элементы объекта, так называемые естественные молниеприемники, или проводники, размещенные только в целях молниезащиты, так называемые искусственные молниеприемники. Самые меньшие размеры проводящих элементов, используемых в качестве искусственных молниеприемников, должны иметь следующие сечения:

• оцинкованная сталь 50 мм2
• алюминий 70 мм2
• медь 35 мм2

Низкие молниеприемники жестко крепятся на поверхности крыши. Это возможно, если протекание тока молнии в проводах не вызовет термического повреждения кровли. Для оценки опасности, вызванной возрастанием температуры проводов молниезащитной инсталляции, можно использовать данные, представленные в таблице 4.
В объектах, крытых непроводящим материалом, молниеприемники на крыше могут быть созданы произвольной комбинацией стержней, натянутых проводов (тросов), или проводов,уложенных в виде сети. Проводящие элементы, использующиеся в целях молниезащиты,должны быть надежно соединены.
Можно применять следующие соединения:
• сваренные обычной сваркой или под давлением,
• винтовые или зажимные,
• клепанные, склеенные или запрессованные, если элементы не имеют изоляционного покрытия или покрытие тонкое

Таблица 4. Прирост температуры проводов при протекании тока молнии в зависимости от сечения материала из которого они изготовлены, а также от принятого уровня молниезащиты

Сечение в мм2	Алюминий			Мягкая сталь			Медь				Нержавеющая сталь
	Принятый уровень защиты
	III+IV	II	I	III+IV	II	I	III+IV	II	I	III+IV		II	I
4	*	*	*	*	*	*	*	*	*	*		*	*
10	564	*	*	*	*	*	169	542	*	*		*	*
16	146	454	*	1120	*	*	56	143	309	*		*	*
25	52	132	283	211	913	*	22	51	98	940		*	*
50	12	28	52	37	96	211	5	12	22	190		460	940
100	3	7	12	9	20	37	1	3	5	45		100	190

* - рост температуры вызывает взрыв или расплавление провода.

Применяя такие соединения, избегают искровых перекрытий в воздухе или в бетоне, которые могут вызвать повреждение конструкции объекта или нарушить работу электрических и электронных устройств.

Если сама конструкция является причиной возникновения больших напряжений в железобетоне, то в зоне появления таких напряжений следует проложить дополнительные проводники. В арматуре, выполненной из предварительно напряженного бетона, следует также избегать протекания тока молнии в стержнях арматуры, так как это может вызвать увеличение напряжений. В этом случае также рекомендуется применение дополнительных проводников, проложенных параллельно к арматуре.

В случае применения готовых железобетонных элементов стержни арматуры могут быть использованы как молниеприемники. Для этого следует только обеспечить соответствующее соединение элементов и создать непрерывный и короткий путь для тока молнии. Если готовые железобетонные элементы не обладают такими соединениями, то следует их выполнить.

Низкие горизонтальные молниеприемники должны создавать на крыше объекта сетку. Размеры одной ячейки сетки в зависимости от уровня молниезащиты представлены в таблице 5.
Таблица 5. Размер ячейки горизонтальной молниеприемной сетки в зависимости от уровня защиты

Уровень защиты	Ячейка молниеприемной сетки	Радиус шара
IV	20м ´ 20м	60м
III	15м ´ 15м	45м
II	10м ´ 10м	30м
I	5м ´ 5м	20м

 

Метод катящегося шара можно также использовать для обозначения мест, подвергнутых  угрозе непосредственного разряда молнии, в случае одиночных объектов или группы объектов. Величина радиуса шара зависит от требуемого уровня молниезащиты (таблица 5). 

1.1. Низкие молниеприемники на широких плоских крышах

Рис. 2. Пример создания молниеприемной сетки на плоской крыше с металлическим аттиком

На широких плоских крышах , выполненных из материалов , в которых нельзя проделать отверстия, применяются кронштейны, положенные на крыше, или прикрепляющиеся к ее поверхности с помощью того же материала, из которого выполнена кровля Примеры различных кронштейнов, а также созданная с их помощью молниеприемная сетка представлены на рис.3 и 4.

Рис. 3. Кронштейны для крепления молниеприемной сетки на широких плоских крышах

Рис. 4. Принцип крепления кронштейнов на крыше, крытой пленкой или полихлорвинилом

Рис. 5. Стыки, применяемые для соединения проводов молниезащитной инсталляции
В случае широких крыш следует принять во внимание изменение длины проводов, возникающее в результате изменения температуры.
Общая зависимость, определяющая прирост длины провода ∆L при возрастании температуры
∆T составляет: DL = a × L × DT,
где :    L – длина провода, a -температурный коэффициент линейного расширения.
Значения температурных коэффициентов линейного расширения для разных материалов, а также приращения длины при изменениях температуры представлены в таблице 6.
Таблица 6. Изменения длины проволоки, выполненной из разных материалов

Материал	Коэффициент a	Прирост длины проволоки ∆L при росте температуры ∆T = 1000C
Алюминий	23,5 · 10-6	∆L = 3,35 мм/м
Медь	17,0 · 10-6	∆L = 1,7 мм/м
Нержавеющая сталь	16,0 · 10-6	∆L = 1,6 мм/м
Сталь	11,5 · 10-6	∆L = 1,15 мм/м

Для того, чтобы избежать опасных напряжений, вызванных изменениями температуры, следует применять гибкие элементы, соединяющие проводники между собой или с проводящими элементами конструкции крыши (Рис.6). 

2. Молниезащита устройств, расположенных на крышах объектов

Анализируя опасность, возникающую в момент прямого удара молнии в строительный объект, следует обратить особенное внимание на возможность воздействия токов молнии на всякого рода надстройки, устройства и инсталляции на крыше этого объекта
 
Рис. 6. Соединения, компенсирующие напряжения, возникающие при изменении температуры

От прямого воздействия тока молнии должны быть защищены следующие надстройки:
- не содержащие электропроводящие элементы,
- содержащие электрическое оборудование или оборудование, служащее для обработки информации.

Надстройки должны находиться в защищенном пространстве, образованном вертикальными или горизонтальными молниеприемниками. Также необходимо сохранять соответствующие безопасные расстояния между ними и молниеприемниками, а также токоотводами. Если вышеуказанные требования не будут выполнены, то прямой удар молнии в надстройку приведет к разрушению:
- самой надстройки, а также установленных внутри нее электрических и электронных устройств,
- устройств, расположенных внутри строительного объекта.

Требования к размещению в защищенном пространстве не касаются надстроек , не содержащих электропроводящие элементы [ ], которые:
- не превышают высоту 1м и 1м² общей площади – металлические надстройки,
- не выступают выше 1 метра над поверхностью, образованной молниеприемниками – надстройки, не проводящие электрического тока.
  
Защитой от прямого воздействия тока молнии должны быть также охвачены устройства и конструктивные элементы на крышах объектов, к которым подсоединена проводка, разведенная внутри объекта. В таких случаях молниезащитное устройство должно:
- обеспечить соответствующее защищенное пространство для устройств и установок на крыше объекта,
- исключить возможность возникновения искровых разрядов между электропроводящими элементами,
- устранить разницу потенциалов между электропроводящими элементами на крыше и внутри объекта,
- обеспечить защиту перед перенапряжениями электрических и электронных устройств.
  
Часть упомянутых требований можно выполнить, применяя соответственно подобранные системы из вертикальных или горизонтальных молниеприемников
Подытоживание принципов защиты устройств, расположенных на крышах строительных объектов, содержится в таблице 7.

Таблица 7. Различные решения расположения систем молниезащиты устройств, на крышах объектов

Описание	Общий вид
Металлические корпуса, соединенные с элементами                                    молниезащитного устройства. Решение рекомендовано в случае небольших устройств, надстроек, которые не соединены с инсталляциями внутри объекта и не возникает проникновения тока в объект или проникающий ток не создает опасность. Если существует необходимость защиты от прямого удара молнии, то следует применить для защиты напр., вертикальные молниеприемники.
К устройству подходят инсталляции изнутри объекта.Следует ограничить или исключить возможность проникновения тока молнии в устройство, а затем внутрь объекта. Полную защиту обеспечивает система молниеприемников и размещение устройств в защищаемом пространстве.

2.1. Отдельно стоящие вертикальные токоприемники

Элементы молниезащитного устройства , предназначенные для защиты от прямого воздействия тока молнии должны:
- обеспечить соответствующее защитное пространство для устройств и инсталляций на крыше объекта,
- исключить возможность возникновения искровых перекрытий между инсталляциями,
- исключить разницу потенциалов между отдельными инсталляциями на крыше и  внутри объекта

Основным способом защиты от прямого удара молнии является размещение устройств или установок в защищенном пространстве, образованном отдельно стоящими вертикальными токоприемниками. Проектирование и сооружение одиночных вертикальных приемников или систем таких приемников должно быть реализовано в соответствии с требованиями, вытекающими из выбранного уровня молниезащиты анализируемого объекта.
Определяя размер защищаемого пространства, образуемого отдельным молниеприемником или несколькими молниеприемниками необходимо принимать во внимание требования, касающиеся:
- защитных углов,
- безопасных расстояний, делающих невозможным возникновение искровых разрядов между защищаемыми устройствами и молниеприемниками, элементами молниезащитной инсталляции или конструктивными элементами объекта, используемыми для целей молниезащиты. Кроме того, вертикальный молниеприемник должен быть размещен на таком расстоянии от защищаемого устройства, которое сделает невозможным возникновение искровых разрядов. Оценивая возможность возникновения искровых разрядов следует принять во внимание следующие факторы: 

Таблица 8. Защитные углы и безопасные расстояния в зависимости от требуемого уровня защиты и высоты приемника

пространственная схема	защитные углы
h              a     a
безопасные расстояния
s ³ k × kc   L i     k m ki - 0,1, 0,075, и 0,05 соответственно для I, II и III и IV уровня защиты, km – 1 в воздухе и 0,5 в твердом диэлектрике, kc - зависит от распределения тока в объекте, L - расстояние, измеренное вдоль провода, идущего от точки рассматриваемого сближения до точки ближайшего уравнивающего соединения

В    некоторых    случаях,        определяя    защитное    пространство,       созданное     одиночным вертикальным приемником, следует принять во внимание несколько защитных углов(рис.2).
В примере, представленном на рис.2 для определения защитной зоны, созданной приемником, размещенным на крыше строительного объекта, следует принять:
·             угол α₁ на крыше объекта - величина, зависящая от высоты приемника,
·             угол α₂ рядом с объектом – подобран с учетом суммы высот объекта и приемника. Можно также определить защитную зону, используя метод катящегося по крыше шара.
Величина   радиуса   шара   зависит   от  требуемого  уровня   молниезащиты   и  оставляет соответственно 20 м , 30 м , 45 м и 60 м для I, II, III, IV уровня молниезащиты.
При перекатывании шара по крыше принимается, что точки касания катящегося шара подвержены опасности прямого попадания молнии

Рис. 7. Защитная зона, созданная одиночным вертикальным молниеприемником

2.1.1 Молниеприемники высотой до 3-х метров

Применение одиночного молниеприемника или системы приемников высотой в несколько метров является одним из чаще всего используемых решений для охраны небольших  объектов или устройств на крышах строительных объектов. Создаваемая система защиты проста и легка для исполнения. Типовой вертикальный молниеприемник состоит из металлического стержня диаметром 10 –16 мм, закрепленного на бетонной опоре. Стержень необходимо соединить с ближайшим элементом молниезащитной инсталляции. Пример защиты, созданной отдельным вертикальным приемником или системой двух приемников представлен на рис.8.

Рис. 8. Молниеприемники на крыше строительного объекта ; a) одиночный молниеприемник, a) определение защитной зоны , созданной системой двух молниеприемников

Определяя защитную зону в системе двух вертикальных приемников, следует установить самую низкую точку касания шара ( ближайшую к защищаемому устройству – рис.8b ), называемую также стрелой прогиба p. Значение p в зависимости от высоты вертикальных приемников h, расстояния между ними d, а также радиуса шара R определяет зависимость: 
p = R -p = R -
 Изменение значения p как функции от расстояния d между молниеприемниками и класса защиты (различных значений радиуса R) представлена на рис.10.

Рис. 10. Изменения значений p в зависимости от расстояния d между молниеприемниками, а также классы защиты
Для того чтобы обеспечить стабильность вертикальных приемников требуется учитывать опасность, создаваемую порывами ветра. Для предварительного подбора размеров и веса бетонных опор можно использовать данные, представленные в таблице 9 [ ]. 

Таблица 9. Основные размеры бетонных опор в зависимости от высоты вертикального приемника (скорость ветра до 150 км/час)

Высота приемника	ДиаметрǾ= 300мм		Диаметр Ǿ    = 350мм
	Высота(см)	Вес (кг)	Высота(см)	Вес (кг)
1,0 м	1,0	2,0	0,5	2,0
1,5 м	4,5	8,5	2,5	6,5
2,5 м	9,5	17,5	5,5	13,5
2,5 м	17	31	10,0	25,0
3,0 м	25,5	46	15,5	38,0

Примеры крепления вертикального молниеприемника к бетонной опоре и к элементам молниезащитной инсталляции представлены на рис.11.

Рис. 11. Крепление молниеприемников различной высоты к бетонным опорам

Если для данной высоты молниеприемника вес одиночной бетонной опоры меньше рекомендуемого, то можно применять нагрузку, состоящую из двух частей. Если для отвода тока молнии используется металлическое покрытие крыши , то основание вертикального приемника можно крепить непосредственно к покрытию (рис.12)

Рис. 12. Крепление приемников к проводящим элементам поверхности крыши

Молниезащита более крупных надстроек или .устройств может потребовать применения системы, состоящей из нескольких приемников (рис.13). Создавая такую систему следует определить защитную зону и сохранить требуемые расстояния между защищаемой надстройкой и элементами системы приемников.

Рис. 13. Защита, созданная системой вертикальных молниеприемников

2.1.2. Молниеприемники высотой более 3-х метров

Если применение одиночного приемника или системы вертикальных приемников высотой до 3-х метров не удовлетворяет требованиям защищаемого пространства или трудно для реализации, то следует рассмотреть возможность применения более высоких приемников, которые требуют конструктивно более сложных и тяжелых опор, а часто и дополнительных оттяжек. Пример такого решения представлен на рис.14.

Рис.14 .Одиночные вертикальные молниеприемники

Представленная система оттяжек и примененная опора дают возможность крепить молниеприемники высотой до 8 м.

2.1.3. Вертикальные молниеприемники, крепящиеся к устройствам или элементам конструкции

Другим решением, которое обеспечивает увеличение стабильности вертикального молниеприемника , а также не требует расширения и утяжеления опоры является применение вертикальных приемников, монтируемых к защищаемым объектам.Такие приемники можно крепить как к крышевым надстройкам, так и к отдельным устройствам. Чаще всего применяемые системы складываются из:
• вертикального приемника, прикрепленного к бетонной опоре и, с помощью изоляционных дистанцирующих элементов, к защищаемому объекту,
• вертикального приемника, прикрепленного с помощью дистанцирующих элементов только к защищаемому объекту,
• вертикального приемника, присоединенного к изоляционной трубе, прикрепленной к защищаемому объекту.
В последнем случае от молниеприемника отходит токоотвод. Безопасное расстояние между токоотводом и защищаемым объектом обеспечивают подобранные соответствующим образом дистанцирующие элементы. Примерные решения того, как можно крепить вертикальные приемники к устройствам или элементам конструкции представлены на рис. 15 и 16

       
Рис. 16. Примеры молниеприемников, прикрепленных к защищаемым объектам []

Правильно выполненное крепление увеличивает стабильность системы и делает возможным поднятие приемника на высоту 3-4 метров над защищаемым объектом. Представленные примеры касались защиты надстроек на плоских крышах. Аналогичные принципы защиты нужно применять на односкатовых и двухскатовых крышах. В  типовом  строительном объекте это касается чаще всего труб и антенн.
Для молниезащиты труб из изоляционных материалов следует применять вертикальные или, так называемые, кольцевые приемники. Высота вертикального приемника должна обеспечить защиту трубы от прямого попадания молнии – труба должна находиться в защищаемом пространстве приемника (рис.17).

Рис. 17. Примеры защиты печных труб

Трубы газовых или масляных с электронным управлением печей также рекомендуется обеспечить защитой от прямого удара молнии. Добиваемся такой защиты, размещая трубу в защищенном пространстве, созданном одиночным молниеприемником или системой
молниеприемников, отодвинутых на расстояние, обеспечивающее исключение искровых разрядов. Пример простого решения представлен на рис.18.

Рис. 18. Защита трубы электронно- управляемой печи от прямого удара молнии и от искрового перекрытия