Материал: Пожарная безопасность электроустановок. учебное пособие. Сушко Е.А., Бакаева Г.А

Типовые конструкции заземлителей

Битумные и битумно-латексные покрытия фундаментов не являются препятствием для использования их в качестве заземлителей.

В средне- и сильноагрессивных грунтах, где защита железобетона от коррозии выполняется эпоксидными и другими полимерными покрытиями, а также при влажности грунта менее 3 % использовать железобетонные фундаменты в качестве заземлителей не допускается.

При использовании в качестве заземляющих устройств все элементы металлических и железобетонных конструкций (фундаменты, колонны, фермы, стропильные, подстропильные и подкрановые балки) должны образовывать непрерывную электрическую цепь по металлу, а в железобетонных элементах (колоннах) дополнительно должны предусматриваться закладные детали (изделия) для присоединения электротехнического и технологического оборудования.

Вертикальные заземлители более эффективны, так как большая их часть располагается во влажных и менее промерзающих слоях почвы. Их длину берут от 2 до 5 м и применяют в глинистых или смешанных грунтах с удельным сопротивлением  менее 300 Омм и при сравнительно высоком уровне грунтовых вод. Если же верхние слои почвы обладают высоким  и этот уровень низок, то длину электродов увеличивают до 4-6 м. Наиболее употребительны и удобны заземлители из круглой стали диаметром 12-30 мм, угловой с шириной полок 40-50 мм, толщиной не менее 4 мм и трубы (чаще всего некондиционные или непригодные к дальнейшему использованию по назначению) с наружным диаметром 25-60 мм и толщиной стенки не менее 3,5 мм. Верхний конец вертикальных заземлителей располагают от поверхности земли на 0,5-1 м. На этом уровне высыхание или промерзание грунта затруднено.

Горизонтальные заземлители используют в грунтах с длительно влажными верхними слоями, где трудно забивать вертикальные электроды (гористая местность, районы вечной мерзлоты). Если грунт обладает плохой проводимостью (песок), то траншею для горизонтальных заземлителей заполняют другим грунтом, удобренным солями или их растворами. Для электродов берут преимущественно полосовую сталь сечением не менее 160 мм² (404 мм) и реже круглую сталь эквивалентного сечения. Электроды укладывают на глубину 0,6-0,8 м в виде одного или нескольких симметричных лучей, длина каждого из них, считая от токоотвода, обычно не превышает 25-30 м. Чем больше удельное сопротивление грунта, тем больше длина луча и их число. Электроды любого типа соединяют между собой и с токоотводами только сваркой.

Конструкция заземлителя зависит от типа молниеотвода, т.е. отдельно стоящего или установленного на здании.

При отдельно стоящих молниеотводах приемлемыми, без расчета их импульсного сопротивления растеканию тока молнии r_и, являются типовые конструкции заземлителей, приведенные в табл. 5.5 (см. также [6]).

При расположении молниеотвода на защищаемом здании в качестве заземлителей рекомендуется широко использовать железобетонные фундаменты зданий и сооружений.

Металлические и железобетонные конструкции зданий I категории по устройству молниезащиты могут быть использованы только для защитного заземления электроустановок и защиты от вторичных воздействий молнии. Для зданий II и III категории металлические и железобетонные конструкции используются и для защиты от прямых ударов молнии. Устройство молниезащиты зданий в железобетонном исполнении включает молниеприемную сетку, соединяемую сваркой с арматурой всех колонн. Ток молнии через нее попадает на арматуру колонн, затем стекает на арматуру фундамента и через защитный слой бетона – в землю.

Основанием для использования арматуры железобетонных фундаментов в качестве заземлителей являются свойства бетона во влажном состоянии иметь проводимость, сопоставимую с проводимостью грунта, окружающего фундамент. При этом выполняются условия сохранения несущей способности здания и исключаются условия разрушения арматурных стержней и бетона от электрической коррозии, что обеспечивается уменьшением плотности тока, стекающего с арматуры фундамента, и ограничением его стекания через бетон в надземных конструкциях. Указанные меры включают объединение в единую систему всех железобетонных (или металлических) конструкций, соединение с помощью сварки всех элементов арматурного каркаса и создание непрерывной электрической цепи по арматуре.

Таблица 5.5

В качестве заземлителей молниезащиты допускается использовать все рекомендуемые ПУЭ заземлители электроустановок, за исключением нулевых проводов воздушных линий электропередачи напряжением до 1 кВ.

Нормирование заземлителей молниезащиты. Принятый в инструкции [6] подход к нормированию и выбору заземлителей молниезащиты зданий и сооружений учитывает, что одним из эффективных способов ограничения грозовых перенапряжений в цепи молниеотвода, а также на металлических конструкциях и оборудовании объекта является обеспечение низких сопротивлений заземлителей растеканию в земле токов молнии. Поэтому при выборе молниезащиты нормированию подлежит сопротивление заземлителя или другие его характеристики, связанные с его сопротивлением.

До введения в нормативную практику [6] для заземлителей молниезащиты нормировалось импульсное r_и сопротивление растеканию токов молнии: его максимально допустимое значение было принято равным 10 Ом для зданий и сооружений I и II категорий и 20 Ом для зданий и сооружений III категории. При этом допускалось увеличение импульсного сопротивления до 40 Ом в грунтах с удельным сопротивлением более 500 Омм при одновременном удалении молниеотводов от объектов I категории на расстояние, гарантирующее от пробоя по воздуху и в земле. Для наружных установок максимально допустимое импульсное сопротивление было принято не более 50 Ом.

Импульсное сопротивление заземлителя является количественной характеристикой сложных физических процессов при растекании в земле токов молнии. Его значение отличается от сопротивления заземлителя при растекании токов промышленной частоты и зависит от нескольких параметров тока молнии (амплитуда, крутизна, длина фронта), варьирующихся в широких пределах. С увеличением тока молнии импульсное сопротивление заземлителя падает, причем в возможном интервале распределение токов молнии (от единиц до сотен килоампер) его значение может уменьшаться в 2-5 раз.

Поскольку при проектировании заземлителя нельзя предсказать значения токов молнии, которые будут через него растекаться, то, следовательно, невозможно оценить заранее соответствующие значения импульсных сопротивлений. С учетом этих условий нормирование заземлителей по их импульсному сопротивлению имеет очевидные неудобства. Разумнее выбирать конкретные конструкции (см. табл. 5.5) по следующему условию: импульсные сопротивления заземлителей во всем возможном диапазоне токов молнии не должны превышать указанных максимально допустимых значений.

Такое нормирование было принято в инструкции [6], где для ряда типовых конструкций заземлителей (см. табл. 5.5) были подсчитаны импульсные сопротивления при колебаниях токов молнии от 5 до 100 кА и по результатам расчетов проведен отбор заземлителей, удовлетворяющих принятому условию.

Наиболее распространенными и рекомендуемыми конструкциями заземлителей являются железобетонные фундаменты. К ним предъявляются дополнительные требования - исключение механических разрушений бетона при растекании через фундамент токов молнии. Исследования показали, что железобетонные конструкции выдерживают большие плотности растекающихся по арматуре токов молнии, что связано с кратковременностью этого растекания. Так, единичные железобетонные фундаменты (сваи длиной не менее 5 или подножники длиной не менее 2 м) способных не разрушаться при воздействии токов молнии до 100 кА. Поэтому в табл. 5.5 заданы допустимые размеры единичных железобетонных заземлителей. Для фундаментов больших размеров с соответственно большей поверхностью арматуры опасная для разрушения бетона плотность тока маловероятна при любых возможных токах молнии.

Нормирование параметров заземлителей по их типовым конструкциям имеет ряд достоинств: оно соответствует принятой в строительной практике унификации железобетонных фундаментов с учетом их повсеместного использования в качестве естественных заземлителей; при выборе молниезащиты не требуется выполнять расчеты импульсных сопротивлений заземлителей, что сокращает затраты и объем проектных работ.

5.7. Зоны защиты молниеотводов

Защитное действие молниеотводов основано на свойстве молнии поражать наиболее высокие и хорошо заземленные металлические сооружения. Во время лидерной стадии разряда на вершине молниеотвода скапливаются заряды, создающие на ней очень большие напряженности электрического поля, куда и направляется разряд. Развитие с молниеотвода встречного лидера еще более усиливает напряженность поля в направлении лидера молнии и окончательно предопределяет ее удар в молниеотвод.

Защитное действие молниеотвода характеризуется вероятностью прорыва молнии. Под этой вероятностью понимают отношение числа разрядов молнии в защищаемый объект к общему числу разрядов в систему молниеотвод-объект. При анализе поражения молниями различных сооружений [7] было установлено, что вероятность прорыва молнии к объекту снижается по мере сокращения расстояний между молниеотводом и объектом. Однако определение вероятности прорыва для каждого конкретного сооружения - задача достаточно сложная, поэтому в проектной практике широко пользуются зонами защиты молниеотводов.

Под зоной защиты понимают пространство в окрестности молниеотвода, характеризующееся тем, что вероятность прорыва молнии к любому объекту внутри зоны не превышает некоторой достаточно малой величины. Конфигурация и размеры зон защиты получены на основе модельных экспериментов и расчетов [7], и было предложено два типа зон защиты: зона типа А, обладающая степенью надежности 99,5 % и выше, и типа Б – 95 % и выше. Степень надежности защиты объекта в любом случае возрастает, когда объект удается расположить в глубине зоны защиты молниеотводов.

По типу молниеприемников молниеотводы делятся на стержневые, тросовые и сеточные; по количеству и общей зоне защиты – на одиночные, двойные и многократные. Кроме того, различают молниеотводы отдельно стоящие, изолированные и не изолированные от защищаемого здания. Чаще используют стержневые молниеотводы. Ниже дается методика построения и расчета зон защиты для молниеотводов высотой до 150 м [6], которые преимущественно поражаются нисходящими молниями.

При одиночном стержневом молниеотводе зона защиты (при h  150 м) представляет собой конус (рис. 5.8). Вершина конуса находится на высоте h₀  h. На уровне земли зона защиты образует круг радиусом R₀. Горизонтальное сечение зоны защиты на высоте защитного уровня сооружения h_х представляет собой круг радиусом R_х. Эти величины определяются следующим образом.

Зона типа А:

h₀ = 0,85h; (5.8)

R₀ = (1,1-0,002h)h; (5.9)

R_x = (1,1-0,002h)(h-h_x/0,85). (5.10)

Рис. 5.8. Зона защиты одиночного стержневого молниеотвода

Зона типа Б:

h₀ = 0,92h; (5.11)

R₀ = 1,5h; (5.12)

R_x = 1,5(h-h_x/0,92), (5.13)

где R_x и h_x определяются по закону подобия треугольников.

Для зоны типа Б высота молниеотвода при известных величинах R_x и h_x может быть определена по формуле

h = (R_x+1,63h_x)/1,5. (5.14)

Двойной стержневой молниеотвод (рис. 5.9).

Рис. 5.9. Зона защиты двойного стержневого молниеотвода

Торцевые части зоны защиты определяются как зоны одиночных стержневых молниеотводов. Значения h₀, R₀, и определяются по формулам (5.8)  (5.14) для обоих типов зоны защиты. Другие величины этой зоны:

зона типа А (существует при L  4h):

при L  h

h_c = h₀; R_cx = R_x; R_c = R₀; (5.15)

при h  L  2h

h_c = h₀-(0,17+310^-4h)(L-h); (5.16)

R_c = R₀; (5.17)

R_cx = R₀(h_c-h_x)/h_c; (5.18)

при 2h  L  4h

h_c = h₀-(0,17+310^-4h)(L-h); (5.19)

R_c = R₀[1-0,2(L-2h)/h]; (5.20)

R_cx = R₀(h_c-h_x)/h_c; (5.21)

зона типа Б (существует при L  6h):

при Lh

h_c = h₀; R_cx = R_x; R_c = R₀; (5.22)

при h  L  6h

h_c = h₀-0,14(L-h). (5.23)

Величины R_с и R_сх определяются по формулам (5.17) и (5.18) соответственно. При известных h_с, L и R_cx = 0 высота молниеотвода для зоны типа Б определяется по формуле

h = (h_с-0,14L)/1,06. (5.24)

Если стержневые молниеотводы находятся на расстоянии L  4h и L  6h, их надо рассматривать как одиночные.