Крыши. Сувениры морских глубин...("Сделай сам" №1∙2005)

Молния и молниезащита сельского дома

В.В. Ильин, М.С. Кананыкин

Природа возникновения атмосферного электричества такова: в зоне облаков в летнее время возникают мощные восходящие потоки с интенсивной конденсацией водяных паров в капли и образованием водяной пыли. В большинстве случаев нижняя часть грозового облака заряжается отрицательно, а поверхность земли — положительно. Так образуется гигантский конденсатор, обкладками которого служат грозовое облако и поверхность земли. При увеличении напряженности до критической величины образуется молния. Такая молния называется линейной. Линейная молния наиболее опасна при прямом ударе, который чаще всего происходит в более высокие предметы или в места с более высокой проводимостью: берега рек, места выхода ключей и т. д.

Наша страна простирается от берегов Балтийского моря до берегов Тихого океана и от берегов Северного Ледовитого океана до берегов Черного моря. На этих пространствах располагаются семь климатических поясов, в силу чего интенсивность грозовой деятельности различна.

Интенсивность грозовой деятельности характеризуется средним количеством грозовых часов в год. На карте, приведенной на рис. 1, нанесены области, грозовая деятельность которых определена этим показателем.

Рис. 1. Карта среднегодовой продолжительности гроз

В северных областях (Мурманск, Новая Земля и др.) грозовая деятельность составляет не более 10 часов в год, а на Кавказе превышает 100 часов. Среднее число ударов молнии в год на 1 кв. км поверхности земли также зависит от интенсивности грозовой деятельности. В табл. 1 представлена зависимость среднего числа ударов молнии в год на 1 кв. км поверхности земли в зависимости от интенсивности грозовой деятельности в часах в год.

Таблица 1

При прямом ударе молнии в здание или сооружение могут возникнуть пожары, взрывы, поражения людей. Аналогичные последствия происходят и от заноса высокого потенциала в помещение. Занос высокого потенциала в помещение про исходит при ударе молнии в воздушные провода, металлические конструкции или коммуникации, соединяющие внутренние помещения с уличной стороной.

Исходя из масштаба возможных разрушений и причиненного ущерба, вызванного попаданием молнии, здания и сооружения по устройству молниезащиты подразделяются на 3 категории. В первую категорию включены здания и сооружения, в которых имеются взрывоопасные зоны, относимые к В-I и В-II. В них хранятся и постоянно содержатся или появляются во время производственного процесса смеси газов, паров или пыли горючих веществ с воздухом, способные взорваться от электрической искры.

Ко второй категории относятся здания и сооружения, в которых имеются взрывоопасные зоны классов В-I, В-Iб и В-IIа. В таких сооружениях опасные смеси появляются лишь при авариях и неисправностях в технологическом процессе. К этой категории принадлежат открытые склады с легковоспламеняющимися жидкостями, сливно-наливные эстакады и др.

К третьей категории относятся пожароопасные помещения классов П-I (например, склад минеральных масел), П-II (помещения, в которых выделяется горючая пыль, находящаяся во взвешенном состоянии), П-IIа (помещения, в которых содержатся волокнистые и твердые горючие вещества, без признаков П-II). Что касается жилых и общественных зданий, принятых в сельском строительстве, то к III категории относятся общественные здания III, IV и V степени огнестойкости следующего назначения: детские сады и ясли, школы, школы-интернаты, спальные корпуса и столовые санаториев, оздоровительных лагерей, лечебные корпуса больниц, клубы, кинотеатры и жилой сектор.

Здания III степени огнестойкости — это каменные здания с деревянными перекрытиями, защищенными штукатуркой, и деревянными чердачными перекрытиями, подвергшимися огнезащитной обработке.

Здания IV степени огнестойкости — это деревянные здания, защищенные от огня штукатуркой. Чердачные перекрытия, выполненные из древесины, подвергнутой огнезащитной обработке.

Здания V степени огнестойкости — это деревянные здания, к конструкциям которых не предъявляются требования по огнестойкости. Склады, где хранится запас топлива, производятся ремонтные работы с применением керосина и бензина в качестве промывочных материалов, сена и сухих кормов, должны быть защищены от прямых ударов молнии и заноса высоких потенциалов, так как они относятся к взрывоопасной зоне В-IIа.

Как было сказано ранее, молнии поражают в первую очередь высокие предметы и места с более высокой электрической проводимостью. Таким образом деревья, высота которых превышает высоту строения в 2–2,5 раза, оказывают экранирующее действие. Существенное значение имеет и электрическая проводимость грунтов, на которых возведено строение. Постройки, возведенные вблизи водоемов или выхода ключей на поверхность, в большей степени подвержены прямым ударам молнии, чем удаленные от них.

Владельцу сельского дома, проживающему в районе с числом грозовых часов более 40, необходимо принять решение о необходимости сооружения молниезащиты. С этой целью надо проанализировать причины ранее случавшихся пожаров И, если возникали пожары от ударов молнии, то сооружение молниезащиты необходимо.

Молниезащитные устройства могут устанавливаться на крышах домов или на земле. Крыши сельских домов, как правило, покрывают шифером или металлом. Значительно реже встречаются крыши, покрытые дранкой, тесом или соломой. Наиболее распространенными являются крыши, покрытые шифером. Однако шиферные крыши, особенно если они находятся в эксплуатации несколько лет, легко повреждаются.

В качестве универсального молниезащитного устройства может быть предложен одиночный стержневой молниеотвод с заземляющим устройством, представленный на рис. 2.

Рис. 2. Схема стержневого молниеотвода с заземлением. Расчет угла α: R₀ = 1,5∙Н; Н₀ = 0,92∙Н; tg α = (Н₀/R₀) + (0.92∙H/1.5∙H) = 61; α = 31.5°

Преимуществом одиночного стержневого молниеотвода является его универсальность, возможность путем выбора места его расположения защитить площади, на которых располагаются несколько строений, долговечность, простота обслуживания.

Молниеотвод (громоотвод) состоит из трех основных частей: молниеприемника 7, воспринимающего удар молнии; токоотвода 2, соединяющего молниеприемник с заземлителем; заземлителя 3, который отводит молнию в Землю. Опора молниеотвода представляет собой мачту из деревянных или стальных конструкций. В качестве опоры могут быть использованы деревья, вышки, башни. Примерная конструкция такого молниеотвода представлена на рис. 3.

Рис. 3. Примерная конструкция стержневого молниеотвода

Как показано на рис. 2, одиночный молниеотвод 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 задача подбора таких размеров защитного конуса, чтобы 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 построения, целесообразно черчение выполнять на миллиметровой бумаге (миллиметровке) в масштабе не менее 1 м (в натуре) в 1 см чертежа. Решим пример (рис. 4). Точку М конька крыши считаем наиболее высокой и удаленной точкой дома от молниеотвода (А). Определим ее координаты. Высота точки 7 м (рис. 4,а), а расстояние AM = √(АБ² + БМ²) = √(4² + 5²) = 6,4 м. Таким образом, координаты точки М (7; 6,4 м).

Рис 4,а. К решению примера определения высоты молниеотвода, защищающего сельский дом

Другая точка, требующая проверки (верх телевизионной антенны), — точка С с координатами (8; 3,5 м).

Строим систему координат: по горизонтали — удаление от мачты, а по вертикали — высоту. И в указанной системе координат наносим координаты точек М и С (рис. 4,б).

Рис. 4,б

Через точку М (7; 6,4 м) под углом 31,5° проводим наклонную прямую и на вертикальной оси Н в точке пересечения, считываем высоту, равную 11 м. Точка С, находящаяся в зоне защиты молниеотвода, дополнительной защиты не требует.

Крепление токоотвода к крыше дома и молниеприемника к дымовой трубе проводят так, как показано на рис. 5 и 6.

Рис. 5. Крепление токоотвода к металлической крыше

Рис. 6. Крепление молниеприемника к дымовой трубе

Спуски токоотводов с крыши дома должны располагаться в таких местах, чтобы к ним не могли прикасаться люди (например, вдали от крыльца, прикрытые кустарником и т. д.).

В строении с металлической крышей молниеприемником является сама крыша, которая соединена с заземлителем. Этот вид молниезащиты, как правило, рассчитан на защиту конкретного строения и каких-либо расчетов зоны зашиты не требует (рис. 5).

Все выступающие элементы строения, расположенные выше металлической крыши, должны иметь собственные молниеприемники, соединенные с токоотводом.

Телевизионная антенна, установленная на металлической мачте, должна быть заземлена соединением данной мачты с токоотводом. При приближении грозы следует прекратить прием телепередач и заземлить антенну. Металлическая крыша строения должна быть соединена с заземляющим устройством с помощью токоотвода, который прокладывают по коньку крыши и крепят к ней не более, чем через каждые 15 метров.

В том случае если строение имеет значительную длину или рад строений близко расположены между собой, возможно устройства молниеотводов, показанных на рис. 7.

Рис. 7. Многократные молниеотводы, расположенные вдоль крыши

Наиболее простой и надежной защитой внутренней проводки домов от заноса высоких потенциалов в помещение, а следовательно, и людей от опасности поранения грозовыми разрядами является приближение точек заземления к домам. Лучше, если каждый ввод в дом будет находиться между двумя заземленными точками, наибольшее расстояние между которыми 100–200 м. Если заземление ввода только с одной стороны, то расстояние до него не должно превышать 50–80 м.

Заземляющее устройство должно быть спроектировано и изготовлено таким образом, чтобы между электродами заземления и землей образовалось электрическое соединение с малым переходным сопротивлением.

Наша страна располагается в семи климатических поясах, температура и влажность в которых разнятся в широких пределах. Однако свойства земли даже в пределах одного района будут меняться со сменой времени года, что учитывается сезонным коэффициентом. Кроме того, грунт не однороден. Верхняя часть грунта на глубину около одного метра более подвержена намоканию, высыханию и промораживанию, что значительно изменяет удельное сопротивление. Слой грунта, лежащий ниже уровня промерзания, имеет более стабильные показатели.

Заземлители могут быть выполнены в виде электродов (рис. 8).

Рис. 8. Стержневой электрод заземления

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 связи между ними — полностью находились на этой глубине. Заземлители должны находиться в стороне от пешеходных дорожек.

Основной электрической характеристикой заземлителя является сопротивление растеканию тока. При попадании молнии вокруг электрода образуется 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: Искусственный заземлитель, как правило, состоит из нескольких электродов, соединенных между собой проводниками. В том случае, если исключить их взаимное экранирование, расстояние между ними в земле должно быть около 25 м. Чем ближе находится электрод один от другого, тем в большей степени сказывается их взаимное влияние. Для учета взаимного влияния электродов устанавливается коэффициент, учитывающий сопротивление растеканию. Сопротивление заземлителей при растекании тока молнии называется импульсным, но импульсное сопротивление прямому измерению не поддается, поэтому его оценивают косвенно по сопротивлению на низкой (промышленной) частоте. В том случае, если у вас нет заземления, но оно вам необходимо, в виду сложности расчета целесообразно за его проектом обратиться в местную организацию, обслуживающую электросеть. Проект должен учитывать меры безопасности, сопротивление заземления должно составлять 10–20 Ом. По окончании работ этой организацией должны быть произведены контрольные замеры и выдан паспорт.