Класифікація будівель і споруд щодо улаштування блискавкозахисту. Визначення необхідності їх захисту від блискавки

Класифікація об'єктів визначається за небезпекою ударів блискавки для самого об’єкта і його оточення.

Безпосередня небезпечна дія блискавки – це пожежі, механічні пошкодження, травми  та загибель людей і тварин, а також пошкодження електричного і електронного устаткування. Наслідками удару блискавки можуть бути вибухи і виділення небезпечних продуктів – радіоактивних і отруйних хімічних речовин, а також бактерій та вірусів.

Удари блискавки можуть бути особливо небезпечні для електронних систем. 

Щодо блискавкозахисту об'єкти поділяються на звичайні та спеціальні.

Звичайні об'єкти (промислові підприємства, тваринницькі і птахівничі будівлі і споруди, житлові і адміністративні будівлі, універмаги, банки, страхові компанії, дошкільні установи, школи, лікарні, притулки для старих, музеї і археологічні пам’ятники, спортивні споруди тощо).

Спеціальні об'єкти:

– об'єкти, що становлять небезпеку для безпосереднього оточення (нафтопереробні підприємства, заправні станції, підприємства  з виробництвом і зберіганням вибухових речовин);

– об'єкти, що становлять небезпеку для екології (хімічні заводи, атомні електростанції, біохімічні фабрики і лабораторії);

– об'єкти з обмеженою небезпекою (пожежонебезпечні підприємства, електростанції, підстанції і лінії електропередавання, засоби зв’язку);

– інші об'єкти (будови висотою вище 60 м, об'єкти, що будуються).

Необхідність виконання блискавкозахисту об’єкта від прямого удару блискавки (ПУБ) і його рівень блискавкозахисту (РБЗ) визначаються за таблицею 1 в залежності від можливо очікуваної кількості уражень об’єкта блискавкою за рік N і суспільного значення і тяжкості наслідків від дії блискавки.

Очікувана кількість уражень об’єкта блискавкою за рік N визначається за наступними формулами:

– для зосереджених споруд (димові труби, вежі, башти тощо)

 ;                                        (60)

– для будівель і споруд прямокутної форми

;                (61)

– для протяжного об’єкта довжиною L (лінії електропередавання, звязку тощо)

,                                         (62)

де hоб  – найбільша висота об’єкта, м, L – довжина об’єкта, м; S – ширина об’єкта, м; n – густина ударів блискавки на 1 км2 земної поверхні за рік, визначена за даними метеорологічних спостережень в місці розташування об’єкта, 1/км2 рік. Якщо дані спостережень відсутні n може бути приблизно розраховано за формулою

       ,                                        (63)

де Тгр  - середня тривалість гроз у годинах, визначена за картами інтенсивності грозової діяльності (рисунок 17) або за середніми багаторічними (не менш 10 років) даними метеостанції, найближчої до місця знаходження об’єкта.

Примітка. Для будівель і споруд складної конфігурації в якості S і L розглядається ширина і довжина найменшого прямокутника, в який може бути вписана будівля або споруда в плані.

За бажанням замовника в проекті можуть бути закладені параметри струмів блискавки, надійність захисту від ПУБ такими, що перевищують надані в таблиці 33.

Рисунок 17 – Карта середньої тривалості гроз за рік у годинах для території України

Таблиця 33 – Визначення необхідності виконання блискавкозахисту об’єкта від ПУБ і його РБЗ

*Примітка. Згідно з НПАОП 40.1-1.32-01 і НАПБ В.01.056-2005/111

Параметри струмів блискавки

У ДСТУ Б В.2.5-38:2008 передбачено чотири рівні блискавкозахисту (І, ІІ, ІІІ, ІV). Для кожного  РБЗ встановлені максимальні (таблиці 34 – 37) і мінімальні (таблиця 38) фіксовані параметри струму блискавки. Імовірність того, що встановлені параметри струмів блискавки будуть відповідати параметрам природної блискавки наведені в таблиця 39. 

Таблиця 34 – Параметри першого імпульсу струму блискавки

Таблиця 35 – Параметри наступного імпульсу струму блискавки

Таблиця 36 – Параметри тривалого струму блискавки в інтервалах між імпульсами

Таблиця 37 – Параметри повного розряду блискавки 

Таблиця 38 – Мінімальні параметри струму блискавки і радіуси фіктивної сфери для прийнятих РБЗ

Таблиця 39 – Імовірність того, що прийняті параметри струму блискавки будуть відповідати параметрам природних блискавок

Максимальні значення параметрів струму блискавки використовуються для розрахунків перерізу провідників; товщини металевої покрівлі і корпусів резервуарів, які можуть мати контакт з блискавкою; номінального розрядного струму ПЗІП; розділяючої відстані для запобігання небезпечного іскріння; визначення параметрів випробування системи блискавкозахисту або її окремих компонентів тощо.

Мінімальні значення амплітуди струму блискавки використовуються для встановлення радіуса фіктивної сфери, за допомогою якої може проводитись розрахунок блискавкоприймачів і визначатися зона блискавкозахисту 0в.

Захист від прямих ударів блискавки

Система блискавкозахисту будівель або споруд включає захист від ПУБ - зовнішня блискавкозахисна система (БЗС) і захист від вторинних дій блискавки - внутрішня БЗС. В окремих випадках блискавкозахист може містити тільки зовнішню БЗС або тільки внутрішню БЗС. В загальному випадку частина струмів блискавки протікає по елементах системи внутрішнього блискавкозахисту.

Зовнішня БЗС може бути відокремленою (ізольованою) від споруди (блискавковідводи, що стоять окремо –  стрижньові або тросові, а також сусідні споруди, що виконують функції природних блискавковідводів) або може бути встановлена на об’єкті, що захищається, і навіть може бути його частиною.

Захист від ПУБ спеціальних об’єктів, у нормальних технологічних режимах яких можуть знаходитися і утворюватися вибухонебезпечні концентрації газів (парів, пилу, волокна тощо), повинен виконуватися блискавковідводами, що стоять окремо. Віддаленність блискавковідводів, що стоять окремо від об’єкта, що захищається, і підземних металевих комунікацій визначаються галузевими нормативними документами. 

За наявності на будівлях і спорудах спеціальних об’єктів прямих газовідвідних і дихальних труб для вільного відведення в атмосферу газів, пари і суспензій вибухонебезпечної концентрації в зону захисту блискавковідводів повинен входити простір над обрізом труб, обмежений півкулею радіусом 5 м.

Для газовідвідних і дихальних труб, обладнаних ковпаками або "гусаками", в зону захисту блискавковідводів повинен входити простір над обрізом труб, обмежений циліндром заввишки Нпр і радіусом Rпр:

– для газів важче від повітря за надлишкового тиску всередині установок:

а) менше 5,05 кПа (0,05 ат) Нпр= 1 м, Rпр = 2 м; 

б) 5,05—26,25 кПа (0,05—0,25 ат) Нпр = 2,5 м, Rпр = 5 м;

– для газів легше від повітря за надлишкового тиску всередині установки:

а) до 25,25 кПа Нпр=2,5 м, Rпр=5 м;

б) понад 25,25 кПа Нпр = 5 м, Rпр = 5 м.

Не вимагається включати до  зони захисту блискавковідводів простір над обрізом труб: 

– у разі викиду газів невибухонебезпечної концентрації; 

– за наявності азотного дихання;

– за наявності факелів, що постійно горять, і факелів, що підпалюються у момент викиду газів; 

– для витяжних вентиляційних шахт, запобіжних і аварійних клапанів, викид газів вибухонебезпечної концентрації з яких здійснюється тільки в аварійних випадках.

Надійність захисту від ПУБ (Рз) слід приймати:

0,99 ÷ 0,999  – для об’єктів І РБЗ ;

0,95 ÷ 0,99  – для об’єктів ІІ РБЗ ;

0,9 ÷ 0,95  – для об’єктів ІІІ РБЗ ;

не нижче ніж 0,85   – для об’єктів ІV РБЗ.

Зовнішня блискавкозахисна система

Зовнішня БЗС в загальному випадку складається з блискавкоприймачів, струмовідводів і заземлювачів. У разі спеціального виготовлення їх матеріал і розміри повинні задовольняти вимогам таблиця 40.

Таблиця 40 – Матеріал і мінімальні перерізи елементів зовнішньої  БЗС

Опори стрижньових блискавковідводів повинні бути розраховані на механічну міцність як конструкції, що стоять вільно, а опори тросових блискавковідводів – з урахуванням натягу троса і дії на нього навантаження вітру та ожеледиці. Опори блискавковідводів, що стоять окремо, можуть виконуватися із сталі будь-якої марки, залізобетону або дерева відповідно до проведених розрахунків.

Блискавкоприймачі

Блискавкоприймачі можуть бути спеціально встановленими, у тому числі на об'єкті, або їх функції виконують конструктивні елементи об’єкта, що захищається; в останньому випадку вони називаються природними блискавкоприймачами.

Блискавкоприймачі можуть складатися з довільної комбінації таких елементів: стрижнів, натягнутих дротів (тросів), сітчастих провідників (сіток).

Для звичайних об’єктів як природні блискавкоприймачі можуть розглядатися такі конструктивні елементи будівель і споруд:

а) металеві покрівлі об'єктів, що захищаються, за умови, що:

– електрична неперервність між різними частинами забезпечена на довгий термін;

– товщина металу покрівлі є не меншою за величину t, яку наведено в таблиці 9, якщо необхідно захистити покрівлю від пошкодження або пропалу;

– товщина металу покрівлі складає не менше 0,5 мм, якщо її не обов'язково захищати від пошкоджень і немає небезпеки займання спалимих матеріалів, що знаходяться під покрівлею;

– покрівля не має ізоляційного покриття. При цьому невеликий шар антикорозійної фарби або шар 0,5 мм асфальтового покриття, або шар 1 мм пластикового покриття не вважаються ізоляцією;

– неметалеві покриття на/або під металевою покрівлею не виходять за межі об’єкта, що захищається;

б) металеві конструкції даху (ферми, з’єднана сталева арматура);

в) металеві елементи типу водостічних труб, прикрас, огорож по краю даху тощо, якщо їх переріз не менше значень, визначених  для звичайних блискавкоприймачів;

г) технологічні металеві труби і резервуари, якщо вони виконані з металу товщиною не менше 2,5 мм і проплавлення або пропал цього металу не приведе до небезпечних або недопустимих наслідків;

д) металеві труби і резервуари, якщо вони виконані з металу завтовшки не менше значення t, наведеного в таблиці 41, і якщо підвищення температури з внутрішньої сторони об’єкта в точці удару блискавки не являється небезпечним.

Таблиця 41 – Товщина покрівлі, труби або корпусу резервуара, виконуючих функції природного блискавкоприймача

Струмовідводи

З метою зниження імовірності виникнення небезпечного іскріння струмовідводи необхідно розташовувати таким чином, щоб між точкою ураження і землею:

– струм розтікався декількома паралельними шляхами;

– довжина цих шляхів була обмежена до мінімуму*.

Якщо блискавкоприймач складається зі стрижнів, встановлених на окремих опорах (або одній опорі), на кожну опору повинен бути передбачений мінімум один струмовідвід.

Якщо блискавкоприймач складається з окремих горизонтальних дротів (тросів) або з одного дроту (троса), на кожний кінець троса потрібен мінімум один струмовідвід.

Якщо блискавкоприймач є сітчастою конструкцією, підвішеною над об'єктом, що захищається, на кожну її опору потрібно не менше одного струмовідводу. Загальна кількість струмовідводів повинна бути не менше двох.

Струмовідводи слід розташовувати по периметру об'єкта, що захищається, так, щоб середня відстань між ними була не менше значень, наведених у таблиці 42. 

Струмовідводи слід з’єднувати горизонтальними поясами поблизу поверхні землі і через кожні 20 м по висоті будівлі.**

Таблиця  42 – Середні відстані між струмовідводами залежно від рівня захищеності

Струмовідводи слід розташовувати рівномірно по периметру об'єкта, що захищається. По можливості їх прокладають поблизу кутів будівель.

Неізольовані від об'єкта струмовідводи слід прокладати таким чином:

– якщо стіна виконана з негорючого матеріалу, струмовідводи можуть бути закріплені на поверхні стіни або проходити в стіні;

– якщо стіна виконана з горючого матеріалу, струмовідводи можуть бути закріплені безпосередньо на поверхні стіни так, щоб підвищення температури при протіканні струму блискавки не являло небезпеки для матеріалу стіни;

– якщо стіна виконана з горючого матеріалу і підвищення температури струмовідводів являє для неї небезпеку, струмовідводи повинні розташовуватися так, щоб відстань між ними і об'єктом, що захищається, завжди перевищувала 0,1 м. Металеві скоби для кріплення струмовідводів можуть бути у контакті зі стіною.

Не слід прокладати струмовідводи у водостічних трубах. Струмовідводи,  які прокладаються по зовнішніх стінах будівель слід розміщувати не ближче ніж 3 м від входів або в місцях недоступних для дотику людей.

Природними струмовідводами слід вважати такі конструктивні елементи будівель:

а) металеві конструкції за умови, що:

– електрична неперервність між різними елементами є довговічною; 

– вони мають не менший переріз ніж потрібно для спеціально передбачених струмовідводів (див. таблиця 40);

б) металевий каркас будівлі або споруди;

в) з’єднана між собою сталева арматура будівлі або споруди;

г) частини фасаду, профільовані елементи і опорні металеві конструкції фасаду за умови, що їх переріз відповідає вимогам таблиця 8, що відносяться до струмовідводів, а їх товщина складає не менше 0,5 мм.

Вважається, що металева арматура залізобетонних будівель  забезпечує електричну неперервність, якщо вона задовольняє наступним умовам:

– приблизно 50% з'єднань вертикальних і горизонтальних стрижнів виконано зварюванням або мають жорсткий зв'язок (болтове кріплення, в'язання дротом);

– електрична неперервність забезпечена між сталевою арматурою різних наперед заготовлених бетонних блоків і арматурою бетонних блоків, підготовлених на місці.

Примітки.

*Струмовідводи прокладаються по прямих і вертикальних лініях так, щоб шлях до землі був найкоротшим. 

**Якщо металеві каркаси будівлі або сталева арматура залізобетону використовуються як струмовідводи, то  прокладання горизонтальних поясів не потрібне.

Заземлювачі

Для захисту від ПУБ слід, як правило, використовувати природні заземлювачі – металеві і залізобетонні конструкції будівель, споруд, зовнішніх установок, опор блискавковідводів, що стоять окремо, тощо, які перебувають у контакті з землею, у тому числі залізобетонні фундаменти в неагресивних, слабко агресивних і середньо агресивних середовищах за умови забезпечення неперервного електричного зв’язку по їх арматурі і приєднання її до закладних деталей за допомогою зварювання.

Бітумні і бітумно-латексні покриття не є перешкодою для такого використання фундаментів.  В сильно агресивних середовищах, де захист залізобетону від корозії виконується полімерними матеріалами, а також у разі вологості ґрунту менш ніж 3%  використовувати залізобетонні фундаменти як заземлювачі блискавкозахисту не допускається. Не слід також використовувати як заземлювачі залізобетонні конструкції з попередньо напруженою арматурою.

Для блискавковідводів І і ІІ РБЗ, що стоять окремо, доцільно використовувати наступні конструкції природних заземлювачів:

– один (і більше) залізобетонний підніжник за розмірами не меншими ніж 2,2 м – довжиною, 0,4 м × 0,4 м – у верхній (надземній) частині і 1,8 м × 1,8 м у нижній (підземній) частині, заглиблений у землю не менше ніж на 2 м;

– одна (і більше) залізобетонна свая або опора діаметром не менше ніж 0,25 м, заглиблена в землю не менше ніж на 5 м;

– залізобетонний фундамент довільної форми з площиною контакту з землею не менше ніж 10 м2.

У разі неможливості використання природних заземлювачів для блискавковідводів, що стоять окремо, використовуються наступні штучні  заземлювачі:

– для І і ІІ РБЗ – заземлювач, який складається з трьох і більше вертикальних електродів довжиною не менше ніж 3 м, об’єднаних горизонтальним електродом і  відстанню між ними не менше ніж 3 м;

– для ІІІ РБЗ – заземлювач, який складається мінімум з двох вертикальних електродів довжиною не менше ніж 3 м, об’єднаних горизонтальним електродом і відстанню  між ними не менше ніж 3 м;

– для ІV РБЗ – заземлювач, який складається з одного вертикального або горизонтального електрода довжиною 2÷3 м, прокладеним на глибині не менше ніж 0,5 м.

У разі неможливості використання природних заземлювачів для блискавковідводів, які мають блискавкоприймачі із сіток або металевої покрівлі, по периметру будівлі або споруди слід прокладати в землі на глибині не менше ніж 0,5 м зовнішній контур із штучних горизонтальних заземлювачів.

В ґрунтах з еквівалентним питомим опором ρ ≤500 Ом×м у разі площі будівлі менше 250 м2  до цього контуру в місцях приєднання струмовідводів для І і ІІ РБЗ приварюються по одному вертикальному або горизонтальному променевому електроду довжиною 2÷3 м.

В ґрунтах з еквівалентним питомим опором  500 < ρ ≤ 1000 Ом×м у разі площі будівлі менше 900 м2 до зовнішнього контуру з горизонтальних електродів в місцях приєднання струмовідводів для І і ІІ РБЗ слід приварити не менше двох вертикальних або горизонтальних променевих електродів довжиною 2÷3 м на відстані 3÷5 м один від одного, а в місцях приєднання струмовідводів для ІІІ РБЗ слід приварити по одному вертикальному або горизонтальному променевому електроду довжиною 2÷3 м.

Штучні заземлювачі слід розміщувати під асфальтовим покриттям на відстані не менше  1 м від стін або в місцях, в яких звичайно не перебувають люди (на газонах, на відстані до 5 м і більше від ґрунтових проїжджих і пішохідних доріг).

У всіх випадках, за винятком використання блискавковідводу, що стоїть окремо, заземлювач блискавкозахисту слід суміщати із заземлювачами електроустановок і засобів зв'язку. Якщо ці заземлювачі повинні бути розділені за будь-якими технологічними міркуваннями, їх слід об'єднати в загальну систему за допомогою системи зрівнювання потенціалів, відповідно ДБН В.2.5-27-2006 або ПУЕ: 2006.

З'єднання  в системі бликавкозахисту слід виконувати зварюванням, паянням, допускається також вставка в затискний наконечник або болтове кріплення.