Защита зданий от молнии. Расчет молниеотвода.

Попытки защититься от молнии, известны задолго до начала нашей  эры. Во время археологических раскопок в  Египте  были  найдены на стенах разрушенных храмов надписи, из которых видно, что установленные  вокруг  храма, например, в Эдфу, мачты служили для защиты «от небесного огня». Дошедшие до нас другие  еrипетские надписи свидетельствуют о том, что заостренные сверху и по повелению Рамзеса 3 (за много веков до нашей эры) позолоченные сорокаметровые мачты отводили от храма грозы и огонь. Научное же объяснение молниеотводов, неправильно называемых в повседневном быту громоотводами, и их широкая популяриза­ция начались уже гораздо позже.

Защита от прямых попаданий молнии в объект осуществляется с помощью молние­отводов. Молниеотвод представляет собой  устройство, которое устанавливается над за­щищаемым объектом и через который ток молнии, минуя данный объект, отводится в землю. Электричество всегда стремится выб­рать путь по тому проводнику,  у которого электрическое сопротивление меньше.

Мол­ниеотвод состоит из молниеприемника, непосредственно  воспринимающего удар мол­нии, токоотвода и заземлителя (рис. 1).

Рис. 1 Устройство простейшего молниеотвода: 1 молниеприемник; 2 токоотвод; 3 заземлитель

Молниеотвод принимает на себя удар мол­нии, который в противном случае пришелся бы в некоторое место строения. Степень за­щищенности постройки напрямую зависит от высоты, на которой установлен  молниеотвод, и качества заземления.

Защитное действие молниеотвода характери­зуется зоной защиты, то есть пространством вблизи молниеотвода, в которое попадание молнии маловероятно.

Молния чаще всего поражает строения, возвышающиеся над окружающей поверхностью. Еще в то время, когда устанавливали первый молниеотвод, возникли споры о раз­ мерах зоны, в пределах которой он способен обеспечить надежную  за­ щиту.

Эти споры продолжаются и до сих пор. В самом деле, если речь идет о полной защите от любого вида разрядов, то решить такой вопрос не так  легко.Например, для защиты обычного  небольшого дома, впол­не достаточно , металлического стержня.

Молниеотвод такого типа, даже в местности с большим количеством гроз, будет исправно служить довольно длительное время, не одному поколению владельцев дома. Иначе обстоит дело с заводом, производящим взрывчатые вещества. В этом случае, использование стержня не гарантирует полной защиты.

По данным последних теоретических и статистических исследований, стержень надежно защищает почти от любого вида разрядов простран­ство, ограниченное поверхностью конуса, вершина которого совпадает с  верхним концом стержня, а радиус основания равен длине стержня.

Время от времени появляются предложения вместо условного  конуса с радиусом основания, равным длине стержня, применять конус, радиус основания которого по крайней мере в два раза больше длины стержня.

Нужно заметить, что эти предложения основаны на экспериментах с ис­кусственной искрой. Искры не могут в должной мере служить моделью молнии, так как с их помощью невозможно смоделировать различные её особенности. Поэтому, когда требуется достаточно надежная защита от молнии, защищенной можно считать только ту зону, которая лежит внутри «стандартного» конуса. И даже в этом случае мы не имеем  100 ­процен­тной гарантии, что внутрь этого конуса не ударит одна из небольших молний, возникающих при грозовом разряде.

По иронии судьбы один из первых молниеотводов, установленный  в 1772 г., по совету его изобретателя Б. Франклина, на пороховом  складе в г. Перфлите (США), не защитил здание от молнии, которая  все ­таки проникла в защитный конус. Молния, ускользнувшая в этом случае от молниеотвода, оказалась, как и следовало ожидать, очень слабой и повредила лишь несколько кирпичей кладки.

Молниеотводы делятся на стержневые и  тросовые. В настоящее время зона защиты одиночного стержневого молниеотвода определя­ется по формуле Rо= ­ 1,5xh, где  h ­ высота молниеотвода, а Rо радиус  защитной зоны на земле вокруг  центра  строения (рис.2).

Рис. 2 Зона защиты одиночноео стержневоео молниеотвода: 1-зона строения, 2-зона защиты, h-высота молниеотвода, hx-высота дома до конька, ho = h x +O,5 м, Rх-полудлина крыши, Rо-радиус защитной зоны

Стержневой молниеотвод представляет собой металлический стержень, вертикально закрепленный на деревянной мачте и соединен­ный токоотводящим проводом с  заземлителем (рис.3).

Рис. 3 Стержневой молниеотвод дома:1-молниеприемник; 2-деревянная мачта; З-токоотводящий провод; 4-заземлитель; 5-место пайки (сварки) конца токовода к заземлителю; 6 -фундамент; 7-уровень почвы

Для изготовления  молниеприемников применяют стальные прутки диаметром 12 мм, полосы 35х3 мм, уголки  2Ох20х3 мм, газовые трубки диаметром  1/2…3/4 дюйма и др. Длина молниеприемников  должна быть от 300 до 1500 мм. К молниеприемнику обычно приваривается или прикручива­ется болтами токоотвод, причем площадь контакта должна быть ми­нимум в два раза больше площади стыкуемых деталей.

Токоотводы выполняют из стали диаметром не менее 6 мм и полосы сечением 35 мм 2.  Для изготовления токоотводов обычно применяют сталь­ную  проволоку­катанку. Части токоотвода соединяют между собой при помощи сварки или болтами. Площадь контакта должна быть не менее  двойной площади сечения токоотвода.

Токоотвод прокладывают крат­чайшим путем по крышам и стенам защищаемого здания, а также по деревянным конструкциям опор молниеотводов в плотную  к их поверх­ности. Исключение составляют здания с леrковоспламеняющейся  кров лей, в этом случае токоотвод должен отстоять от нее на 15…20 см. Для крепления молниеотводов используют скобы, хомуты и гвозди. Заземлитель закапывают таким образом, чтобы он находился от дорожек  или крыльца на расстоянии не менее 5 метров. Заземлители, как правило, обносятся оградой не менее 4 метров в радиусе. Это необходимо для защиты людей от шагового напряжения, которое возникает в момент  отвода молнии в землю.

Если уровень подпочвенных вод низкий, грунт сухой, то конструкция заземлителя может представлять собой два стерж­ня длиной 2…3 метра. Стержни вбивают вертикально в землю и на глубине не менее 1,5 м, соединяют перемычкой, имеющей сечение 100 мм 2. К середине перемычки, только сваркой, приваривают токоотвод. Сопротив­ление заземления rpозозащиты не должно превышать 10 Ом.

Помещения, длиною до 14…15 м, защищают от прямого  удара мол­нии одним стержневым молниеотводом, установленным на крыше зда­ния. Для помещений длиною до 25 м гpозозащиту выполняют стержне­вым молниеотводом с установкой опоры по центру здания у наружной продольной стены.

Помещения сложной планировки и длиною более 25 м защищают двумя и более стержневыми молниеотводами с установкой опор у наружных стен. Высоту молниеотвода от уровня земли при­нимают равной 18…20 м. При защите помещений двумя стержневыми молниеотводами расстояние от угла торцевой стены в зависимости от ширины постройки должно быть 2…6 м. Увеличение расстояния ведет к увеличению высоты молниеотвода и усложнению его конструкции.

Установка молниеотводов, если крыша металлическая, не требует­ся. В этом случае крышу по периметру через 20…25 м заземляют. Трубы, вентиляционные устройства и т.п., установленные на крыше, при­соединяют к металлической кровле.

Дома с неметаллической крышей могут быть защищены от ударов молнии тросовой молниезащитой (рис. 4). Такая  молниезащита  пред­ставляет собой натянутую вдоль конька крыши на высоте 150…250 мм от него стальную проволоку со стержневыми молниеприемниками.

Рис. 4 Устройство тросовой молниезащиты:1-стержневые молниеприемники; 2-тросовые молниеприемники; 3-стойки; 4-токовод; 5-заземлитель; 6-зона увлажнения

Нужно помнить, что системы молниезащиты необходимо периоди­чески осматривать, проверять состояние и надежность соединения, ее элементов.

Источник