 |
АвтоАвтоматизацияАрхитектураАстрономияАудитБиологияБухгалтерияВоенное делоГенетикаГеографияГеологияГосударствоДомДругоеЖурналистика и СМИИзобретательствоИностранные языкиИнформатикаИскусствоИсторияКомпьютерыКулинарияКультураЛексикологияЛитератураЛогикаМаркетингМатематикаМашиностроениеМедицинаМенеджментМеталлы и СваркаМеханикаМузыкаНаселениеОбразованиеОхрана безопасности жизниОхрана ТрудаПедагогикаПолитикаПравоПриборостроениеПрограммированиеПроизводствоПромышленностьПсихологияРадиоРегилияСвязьСоциологияСпортСтандартизацияСтроительствоТехнологииТорговляТуризмФизикаФизиологияФилософияФинансыХимияХозяйствоЦеннообразованиеЧерчениеЭкологияЭконометрикаЭкономикаЭлектроникаЮриспунденкция
II. Розрахунок блискавкозахисних пристроїв
Основні теоретичні положення. Природне явище виникнення атмосферної електрики і пов'язаного з ним утворення іскрових розрядів - блискавок представляє небезпеку для техно- і біосфер.
При ураженні наземних об'єктів блискавка може спричинити загибель людей і тварин, пошкодження і руйнування будинків і споруд, призвести до вибухів і пожеж. Мінімізувати негативні наслідки грозової діяльності дозволяє правильно організований комплекс заходів улаштування блискавкозахисту.
В даній практичній роботі розглядається улаштування захисту об'єктів і споруд від прямих ударів блискавки, тобто від первинного впливу. Наведені методи розрахунку стержневого блискавкозахисту об'єктів висотою до 150 м. Питання захисту від вторинних впливів, так само як тросовий та сітчастий блискавкозахисти, в роботі не розглядаються. При потребі більш повного ознайомлення з улаштуванням блискавкозахисту слід звернутись до РД 34.21.122-87 «Инструкции по устройству молниезащиты зданий и сооружений».
Небезпечна дія блискавки. Блискавка являє собою електричний розряд в повітрі довжиною в декілька кілометрів. Цей розряд відбувається між хмарами, всередині хмари або між хмарою і землею чи наземною спорудою. Починається процес розвитку блискавки з утворення і ступеневого просування іскрового розряду - лідера. Довжина ступені лідера 20-100 м, паузи між ступенями 50-100 мкс. Коли головка лідера досягає землі, від землі до хмари по іонізованому каналу відбувається головний розряд. Струм цього розряду може досягати 100 кА і більше. При одному ударі блискавки часто спостерігається декілька (до 20) розрядів з паузами 0,01 - 0,05 с. Повторні розряди можна спостерігати - блискавка «миготить».
Вплив блискавки на техно- і біосфери прийнято поділяти на дві основні групи: первинні, що викликані прямим ударом блискавки, і вторинні, індуковані близькими її розрядами або занесені в об'єкт металевими комунікаціями. Небезпека прямого попадання і вторинних впливів для приміщень і споруд, а також людей і тварин, що знаходяться в них, визначається, з одного боку, параметрами розряду блискавки, з другого - технологічними і конструктивними характеристиками об'єкта (наявність вибухо- або пожежонебезпечних зон, вогнестійкістю будівельних конструкцій, а також розташуванням і розмірами комунікацій, що підводяться до будинків і споруд, їх розведенням всередині об'єкта і т.п.).
Прямий удар блискавки викликає такі дії на об'єкт:
- електричні, що пов'язані з ураженням людей і тварин електричним струмом і виникненням перенапруг на елементах, які уражені блискавкою і по яких її струм відводиться в землю. При відсутності блискавкозахисту шляхи розтікання струму блискавки неконтрольовані і її удар може створити небезпеку ураження струмом, небезпечні напруги кроку і дотику, перекриття на інші об'єкти;
- термічні, що спричиняються різким виділенням теплоти на шляхах протікання струму через уражений об'єкт. Енергія, що виділяється в каналі блискавки, визначається зарядом, який переноситься, тривалістю спалаху і амплітудою струму блискавки; в 95 % випадків розрядів блискавки ця енергія (в розрахунку на опір 1 Ом) перевищує 5,5 Дж, вона на два-три порядки перевищує мінімальну енергію спалаху більшості газо-, паро- і пилоповітряних сумішей, які використовуються в промисловості. Отже, в таких середовищах контакт з каналом блискавки завжди створює небезпеку загоряння або вибуху; те саме відноситься до випадків протоплення каналом блискавки корпусів вибухонебезпечних зовнішніх установок. При протіканні струму блискавки по тонких провідниках утворюється небезпека їх розтоплення і розриву;
- механічні, зумовлені ударною хвилею, що розповсюджується від каналу блискавки, і електродинамічними силами, які діють на провідники зі струмами блискавки. Контакт з каналом блискавки може спричинити різке паро- або газоутворення в деяких матеріалах з наступним їх механічним руйнуванням. Дерев'яні конструкції можуть бути повністю зруйновані, а цегляні труби та інші наземні споруди з каміння або цегли можуть мати значні пошкодження. При ударах блискавки в залізобетонні опори трапляються випадки сколу бетону. Відомі факти, коли після удару блискавки в залізобетонні плити утворювались отвори і була деформована сталева арматура. Значна енергія, що виділяється в каналі розряду, може спричинити руйнування, які призведуть або до зниження механічної міцності бетону, або до деформації конструкції. Електродинамічні сили можуть, наприклад, призвести до сплющення тонких металевих трубок.
До вторинних проявів блискавки відносять явища, що виникають поблизу розряду блискавки і викликані дією електромагнітного поля, що індукується навколо каналу блискавки. Прийнято таке поле поділяти на дві складові: електромагнітну і електростатичну, а відповідні дії - електромагнітну і електростатичну індукцію.
Електромагнітна індукція пов'язана з утворенням в металевих контурах ЕРС, яка пропорційна крутизні струму блискавки і площі, що охоплюється контуром. Комунікації в сучасних виробничих будинках можуть утворювати контури, що охоплюють великі площі, і наведені в них ЕРС можуть сягати десятків кіловольт. В місцях наближення металевих конструкцій, в місцях розривів незамкнених контурів створюється небезпека перекриттів та іскріння з можливим розсіюванням енергії біля десятих долей джоуля.
Електростатична індукція проявляється у вигляді перенапруг, які утворюються на металевих конструкціях об'єкта, а їх величина залежить від струму блискавки, відстані від місця удару і опору заземлювача. При відсутності необхідного заземлювача перенапруги можуть досягати сотень кіловольт і утворювати небезпеку ураження людей і перекриттів між різними частинами об'єкта.
Ще одним видом небезпечного впливу блискавки є занос високого потенціалу по комунікаціях, які заходять в приміщення (дроти повітряних ліній електропередач, кабелі, трубопроводи). Він являє собою перенапругу, що утворюється на комунікаціях при прямих або наближених потрапляннях блискавки, яка розповсюджується у вигляді хвилі, що набігає на об'єкт. Небезпека створюється за рахунок можливих перекриттів з комунікацій на заземлені частини об'єкту. Підземні комунікації також небезпечні, тому що вони можуть сприйняти на себе частину струму блискавки, що потрапляє в грунт, і занести її на об'єкт.
Блискавкозахист - це комплекс заходів, спрямованих на запобігання прямого удару блискавки в об'єкт або на усунення небезпечних наслідків, пов'язаних з прямим ударом; до такого комплексу відносяться також засоби захисту, що оберігають об'єкт від вторинних впливів блискавки і заносу високого потенціалу.
Різноманітність технологічних процесів, режимів роботи виробничого устаткування, а також вибухові і пожежні властивості матеріалів, що в цих процесах використовуються, створюють неоднакові умови вибухопожежонебезпеки у виробничих приміщеннях і зовнішніх установках. Рівень вибухопожежонебезпеки технологічних процесів визначається у відповідності з класифікацією, що наведена в «Правилах улаштування електроустаткування» (ПУЕ). Ця класифікація є визначальною при вирішенні питання влаштування блискавкозахисту (поз. 2. табл. 1).
Таблиця 1
Класифікація будинків і споруд за улаштуванням блискавкозахисту та необхідності його виконання
| № п/п | Будинки і споруди | Місце розташування | Тип зони | Категорія |
| Будинки і споруди або їх частини, приміщення яких згідно ПУЕ відносяться до зон класів В-І і В-ІІ | На всій території країни | Зона А | І | |
| Те саме класів В-Іа, В-Іб і | В місцевостях з | При очікуваній | II | |
| В-ІІа | середньою тривалістю грози 10 год/рік і більше | кількості уражень блискавкою на рік: N>1 - зона А N<1 - зона Б | ||
| Зовнішні установки, які утворюють згідно з ПУЕ зону класу В-Іг, наприклад, технологічні установки та відкриті склади, в яких утримуються горючі гази або ЛЗР, зливоналивочні естакади, очисні споруди і т. п. | На всій території країни | Зона Б | II | |
| Будинки і споруди або їх частини, приміщення яких згідно з ПУЕ відносяться до зон класів П-І, П-ІІ і П-ІІа | В місцевостях з середньою тривалістю грози 20 год/рік і більше | Для будинків і споруд І і II ступеней вогнестійкості при 0,1<N<2 і для III-V ступеней при 0,02<N<2 - зона Б, при N>2 - зона А | III | |
| Зовнішні установки і відкриті склади, які утворюють згідно з ПУЕ зону класу П-III | В місцевостях з середньою тривалістю грози 20 год/рік і більше | При 0,1<N<2 – зона Б, при N > 2 - зона А | IIІ | |
| Будинки і споруди III, IIIа, IIIб, IV, V ступеней вогнестійкості, в яких відсутні приміщення, що відносяться згідно з ПУЕ до зон вибухо- і пожежонебезпечних класів | Те саме | При 0,1< N < 2 - зона Б, при N > 2 - зона А | III | |
| Будинки обчислювальних центрів, в тому числі, що розташовані в міській забудові | В місцевостях з середньою тривалістю грози 20 год/рік і більше | Зона Б | II | |
| Димові та інші труби підприємств і котелень, башти і вишки всіх призначень заввишки 15 м і більше | В місцевостях з середньою тривалістю грози 10 год/рік і більше | - | III |
Ще одним визначальним чинником є рівень грозової активності в місці розташу-вання споруди. Формування грозової хмарності і, як наслідок, грозова активність залежить від кліматичних умов і рельєфу місцевості. Тому грозова активність над різними ділянками земної поверхні неоднакова. Для розрахунку блискавкозахисних пристроїв необхідно мати конкретне значення, що характеризує грозову діяльність в даному регіоні. Такою величиною є інтенсивність грозової діяльності, яку прийнято визначати кількістю грозових годин протягом року. Вона визначається як середньоарифметичне значення за декілька років спостережень для певної місцевості земної поверхні. Середньорічна тривалість грози в окремих регіонах і промислових центрах визначається з карти (див. РД 34.21.122-87, рис. 3) або за даними метеорологічних станцій, найближчих до даного регіону.
Наведемо значення середньорічної тривалості грозидля деяких міст України:
Сімферополь - 40...60 год;
Дніпропетровськ, Київ, Львів, Одеса - 50...80 год;
Донецьк, Запоріжжя, Ужгород - 80...100 год.
Інтенсивність грозової активності в даному регіоні земної поверхні визначають також кількістю ударів блискавки за рік, що припадає на 1 км2 земної поверхні - n. Середня кількість уражень блискавкою 1 км2 земної поверхні за рік приймається в залежності від середньорічної тривалості грози і наведена в таблиці 2
Таблиця 2
Інтенсивність грозової діяльності
| Середньорічна тривалість грози, год | Питома густина ударів блискавки в землю n, ударів/км2 за рік |
| 10-20 | |
| 20-40 | |
| 40-60 | |
| 60-80 | 5,5 |
| 80-100 | |
| 100 і більше | 8,5 |
Очікувана кількість ударів блискавки за рік для будинків і споруд прямокутної форми визначається за формулою
N = [(S + 6h) * (L + 6h) - 7,7h2] * n * 10-6; (1)
- для зосереджених об'єктів (башт, вишок, димових труб)
N = 9π * h2 * n * 10-6; (2)
де h - найбільша висота будинку або споруди, м;
S, L - відповідно ширина і довжина будинку або споруди, м;
n - середньорічна кількість ударів блискавки в 1 км2 земної поверхні (питома густина ударів блискавки в землю) в районі розташування будинку або споруди (табл. 2).
Для будинків і споруд складної конфігурації при розрахунку N значення S і L розглядають як ширину і довжину найменшого прямокутника, в який можна вписати будинок або споруду в плані.
В залежності від параметрів, що характеризують грозову активність в районі розташування об'єкта, визначаються такі важливі показники блискавкозахисту (табл. 1), як:
- категорія блискавкозахисту;
- тип зони захисту.
Блискавкозахист поділяється на три категорії - І, II і III. Об'єкти, які належать до І і II категорій, захищають від прямих ударів блискавок, вторинних її проявів і занесення високого потенціалу через наземні (надземні) і підземні металеві комунікації. Будинки і споруди, віднесені за улаштуванням блискавкозахисту до III категорії, повинні бути захищені від прямих ударів і занесення високого потенціалу через наземні (надземні) металеві комунікації
Зовнішні пристрої, що належать за улаштуванням блискавкозахисту до II категорії, захищають від прямих ударів блискавок і вторинних впливів, а віднесені до III категорії - тільки від прямих ударів.
Найбільш небезпечним з усіх впливів блискавки з точки зору ураження будинків і споруд є прямий удар. Багаторічні спостереження і дані свідчать про те, що переважна більшість пожеж і руйнувань при грозових розрядах викликані саме прямими ударами блискавки. Тому при улаштуванні блискавкозахисту будь-якої категорії має бути виконаний захист від прямих ударів блискавки. Існує три види такого захисту - стержневий, тросовий і сітчастий. В даній лабораторній роботі розглядається тільки стержневий блискавкозахист і тільки від прямих ударів блискавки. Інші питання блискавкозахисту (тросовий, сітчастий блискавкозахисти, а також захист від вторинних проявів розглядаються в РД 34.21.122-87 «Инструкции по устройству молниезащиты зданий и сооружений»).
Поиск по сайту: