2.1 Молниеприемники и методы определения их размещения

Техническое руководство

     Молниеприемники - это часть внешней системы молниезащиты, возвышенные над сооружением и предназначены для перехвата разрядов молнии. В зависимости от типа и конфигурации сооружения, нуждается в защите, молниеприемники могут состоять из произвольной комбинации стержней (включая отдельностоящие мачты), натянутых проводов или тросов, сетчатых проводников, любых других природных или искусственных элементов, которые могут выполнять роль молниеприемника. При их выборе важную роль играет строительная конфигурация объектов, возможно расположение и свойства выбранных типов токоотводов. Согласно требованиям ДСТУ EN 62305-3, молниеприемники обязательно следует размещать по углам в выступающим точкам и по краям кровли. Для обеспечения оптимального растекания тока отдельно стоящие стержни должны соединяться вместе на уровне крыши.
     Практическое определение размещения молниеприемников на сооружении выполняется одним или несколькими методами проектирования:

›› Метод «фиктивной сферы» (метод «сферы качения») - создание фиктивной «шара молнии», что движется вдоль защищаемой поверхности. Используется для комплексных установок и сооружений сложной формы.
›› Метод защитного угла - простой способ проектирования с использованием стержневых молниеприемников для защиты простых по форме сооружений или маленьких частей больших сооружений, но при этом применяются ограничения расчетной высоты молниеприемника.
›› Метод молниеприемные сетки - простой способ для защиты плоских поверхностей, например, для плоских крыш.

     Проектирование и расчет молниеприемников начинается с определения элементов здания и сооружений, которые нужно защищать. Это может быть сама кровля, выступления, надстройки, вентиляционные каналы с оборудованием, антенны, дымовые трубы или другие элементы, расположенные на крыше. Для удешевления системы молниезащиты рекомендуется определить,
могут использоваться как молниеприемники природные компоненты, которые уже есть на здания: металлическая ограда крыши, металлические трубы или резервуары, металлическая кровля крыши и т.д.
     Для защиты здания и размещенных на ней конструкций и установок можно использовать сразу несколько методов защиты. Главное, это расположить выбранные молниеприемники так, чтобы при расчете по одному или нескольким методами защиты, все здание, ее кровля и все конструкции и оборудование находились в защищенной зоне, при этом все молниеприемники должны быть соединены между собой в одну систему.

       2.1.1 Метод создания шара молнии (фиктивной сферы)
     Метод сферы качения (RSM - rolling sphere method) является универсальным для расчета зон защиты всех молниеприемников, считается наиболее точным, имеет наглядное восприятие принципа действия (рис. 2.1.1). Основой метода является электро-геометрическая модель грозы, созданная на явлении «лидера разряда».
     При выполнении расчета моделируется сфера пробивного промежутка радиусом R, «катится» по поверхности здания или его фрагментах. Центром сферы является мнимое нахождения «лидера» молнии.
     Движение сферы по изометрическому плану поверхности здания со всеми выступающими элементами определяет точки и поверхности контакта, указывающие на места возможного удара молнии и установки там молниеприемников. Здание рассматривается со всех сторон, чтобы убедиться в том, что ни одна из ее частей не находится в незащищенной зоне. Защищенной зоной считается пространство между проводником молниезащиты и землей, куда не попадает сфера, касаясь молниеприемников.
     Радиус сферы R выбирается по классу защиты здания согласно ДСТУ EN 62305-3 (табл. 2.1.1).

     Защищаемое здание должно оснащаться молниеприемниками таким образом, чтобы шар с радиусом R, соответствующим выбранному классу защиты, не мог касаться объекта. Таким образом определяют размеры требуемых длин молниеприемных стержней h и расстояния между ними d. Их необходимо располагать так, чтобы все части защищаемой установки находились в защитной зоне (рис. 2.1.2).

     Объект считается защищенным, если шар молнии, касаясь поверхности молниеприемников, не имеет общих точек с защищаемым объектом. Для этого необходимо учитывать не только геометрические размеры стержней, защищаемых объектов, расстояния между ними, но и так называемую величину проникновения р, которую либо рассчитывают по формуле, либо берут табличные данные (табл. 2.4).

    Необходимо отметить, что для строительных сооружений, высота которых превышает радиус шара молнии, существует еще и угроза боковых ударов, но для зданий с высотой h < 60 м вероятность бокового удара несущественна.

       2.1.2 Метод молниеприемной сетки
     Молниеприемная сетка – тип молниеприемного устройства, который представляет собой металлический проводник, уложенный на кровлю здания, с определенным шагом ячейки в зависимости от категории молниезащиты.
     Для защиты ровных поверхностей (здания с плоской крышей) используется молниеприемные сетка в виде металлического сетчатого проводника (рис. 2.1.3) с определенным шагом m, обусловленным категорией молниезащиты (табл. 2.1.3).

     Метод молниеприемной сетки подходит для универсального использования, но при этом должны выполнятся определенные условия:

›› проводники сетки обязательно проходят по краю крыши, а крыша выходит за габаритные размеры здания;
›› если крыша двускатная, проводник сетки проходит по коньку крыши, если наклон превышает 1 к 10;
›› боковые поверхности сооружения, на уровнях выше, чем радиус шара молнии, дополнительно защищаются молниеотводами или сеткой;
›› сетка выполнена таким образом, чтобы ток молнии всегда имел, по крайней мере, два различных пути к заземлителю, а проводники сетки проложены, по возможности, кратчайшими путями;
›› никакие металлические части не должны выступать за внешние контуры сетки.

     Для зданий высотой h более 60 м существует угроза бокового удара молнии. Рекомендуется делать дополнительную сетчатую проводку по бокам здания (рис. 2.1.4) на уровне от 80% высоты здания до крыши.

       2.1.3 Метод защитного угла.
     Зона защиты стержневого молниеприемника - это круговой конус, вершина которого совпадает с вершиной стержневого молниеприемника высотой h (рис. 2.1.5).

     Габариты зоны защиты определяются углом а или радиусом r, которые зависят от высоты h и выбранного класса молниезащиты. В рамках защитной зоны располагают оборудования, подлежащего защите, обязательно с соблюдением защитного разделительного интервала S.
     Защитный угол а выбирается в зависимости от класса молниезащиты и высоты стержня по специальной диаграммой на рисунке 2.1.6. Метод защитного угла нельзя применять в случае, если значения находятся за пределами кривой. В этом случае следует применять метод сферы.
     Радиус защитной зоны можно определить по формуле:

     Также для определения значения защитного угла а и защитного расстояния r можно пользоваться таблицей 2.1.4.
     Высота h является высотой молниеприемника над защищаемой поверхностью, поэтому для различной высоты угол будет различным (рис. 2.1.7).

     Метод не рекомендуется использовать, если высота стержня h больше, чем радиус фиктивной сферы R для выбранного уровня защиты. Например, на краю крыши здания высотой 20 м установлен стержень высотой 5 м, то есть, общая высота над уровнем земли составляет 25 м. Если для постройки выбрать 3-й класс молниезащиты с радиусом сферы R = 45 м - метод защитного угла можно использовать; для 2-го класса молниезащиты R = 20 м, и метод защитного угла с этой стороны здания использовать рекомендуется. В другую сторону, где высота стержня над крышей составит 5 м, метод можно использовать.

     Если защищается большая площадь здания, она оснащается несколькими молниеприемные стержнями, защитные конусы, которых создают сплошную зону защиты (рис. 2.1.8).