Рис. 1 - Молниеодвод стержневого типа

Конструкция молниеотвода:

1. Молниеприемник стержневого типа (1).
2. Несущая конструкция (2).
3. Токоотвод (3).
4. Заземляющее устройство (4).

Молниеприемник представляет собой главную "цель" для молнии. Поэтому данный элемент рассчитан на то, чтобы выдерживать воздействия мощных импульсных токов молнии, а также значительные механические нагрузки. На несущую конструкцию молниеотвода (громоотвода) устанавливается молниеприемник и крепится токоотвод. Все части громоотвода объединены в прочную и жесткую конструкцию, способную отлично противостоять ветровым нагрузкам, а также прямым ударам молнии. Благодаря несущей конструкции громоотвода, имеющей достаточную механическую прочность и повышенной устойчивостью, исключается падение молниеотвода на энергооборудование и аппаратуру электрических подстанций.

При помощи токоотвода осуществляется соединение молниеприемника и заземляющего устройств: именно токоотвод обеспечивает прохождение импульсных грозовых токов от молниеотвода до заземляющего устройства. Поэтому токоотвод изготавливается с большим запасом прочности, с учётом запредельных тепловых и электродинамических перегрузок, источником которых является ток молнии. Заземляющее устройство необходимо для отвода разряда в землю и уменьшения до приемлемого уровня разности потенциалов в элементах молниеотвода.

Качество молниезащиты энергообъектов в напрямую связано с состоянием заземляющего устройства, а также его конструктивного исполнения. В реальных условиях заземлители могут находиться в различных условиях: сухая почва или влажный грунт, пропитанный солями и кислотами, которые оказывают основное влияние на электропроводимость земли. В тоже время кислоты и соли способствуют усиленной электрохимической коррозии металлических частей заземлителя. Поэтому подбор эффективных материалов и выбор оптимальной конструкции заземляющего устройства должен проводиться с учётом реальных условий, в которых заземляющее устройство будет эксплуатироваться.

Для защиты энергообъектов применяются молниеотводов с опорными конструкциями из дерева, железобетона и металла. Стержневые громоотводы на деревянных опорах чаще всего используются для обустройства молниезащиты энергообъектов подстанций с рабочим напряжением порядка 20...35 кВ. Данный тип молниеотводов имеет высоту до 25 метров и состоит из деревянной опоры (поз. 1) и железобетонных приставок (поз. 2).

На Рис. 2 продемонстрированы классические конструкции громоотводов с деревянными опорными элементами. При высоте молниеотвода свыше 12 метров деревянные опоры имеют составную конструкцию. Для изготовления стоек применяется хвойные породы дерева: сосна, ель, пихта, лиственница с диметром ствола в верхней части более 120 мм. Для продления срока службы опоры обрабатываются специальными составами с антисептирующими свойствами. Особой долговечностью отличаются опоры из лиственницы: таёжная древесина зимней рубки практически не подвержена гниению и может использоваться без дополнительной обработки.

Рис. 2. Конструкции стандартных молниеотводов с деревянными опорами и приставками из железобетона (1 – стойки из дерева; 2 – приставки из железобетона; 3 – молниеприемники).

Для изготовления молниеприемников (поз. 3) применяется сортовой прокат любого профиля, который имеет поперечное сечение более 100 мм2. Рабочая часть молниеприёмника имеет высоту не более 2 500 мм (от места крепления к опоре и верха). Если для молниеприёмника используются металлические трубы – верхний торец трубы наглухо заваривается или закрывается пробкой из металла.

На Рис. 3. показана схема закрепления трубчатого молниеприёмника на деревянную стойку. Для исключения коррозии необходимо все металлические части громоотвода окрашивать защитными красками или применять оцинкованные материалы.

Рис. 3. Способы крепления элементов молниеприемника к деревянной опоре молниеотвода (1 –труба 3/4"; 2 – металлическая скоба; 3 – токоотвод из кругляка; 4 – держатель; 5 – шайба).

Стержневые молниеотводы, смонтированные на деревянные опоры, оснащаются молниеприёмниками различного профиля. Для безопасного пропускания импульсных токов рекомендуется изготавливать молниеприемники из стального проката, который имеет диаметр более 6 мм (круглые стальные прутки) или толщину более 4 мм (угловая или полосовая сталь с поперечным сечением свыше 48 мм2). Крепление тоководов к деревянным опорным стойкам осуществляется посредством специальных скоб. Отдельные части токоотвода соединяются с помощью сварки. Аналогичным способом выполняется соединение токоотвода с молниеприёмником и заземляющим устройством.

Установка молниеотводов на деревянных опорах с использованием деревянных приставок оказалась неэффективной. В песчаных и суглинистых грунтах деревянные части быстро приходили в негодность. Поэтому в настоящее время рекомендуются только железобетонные приставки: прочные и надёжные они отличаются большим сроком службы в сложных условиях. Стержневые громоотводы высотой до 12 метров монтируются на одну железобетонную приставку, а молниеотводы высотой свыше 12 метров устанавливаются при помощи двух приставок из высокопрочного железобетона.

Для создания молниезащиты энергообъектов электрических подстанций (6-35 кВ) применяются стандартные молниеотводы, размещённые на деревянных стойках с приставками из бетона не меньше М 200 и стальной арматуры (СтЗ, Ст5). В поперечном сечении приставки могут иметь форму прямоугольника, круга, трапеции, двутавра или быть многогранными. Соединение железобетонных приставок с деревянными стойками выполняется с использованием скоб с болтами или проволочных бандажей. Опоры заглубляются в землю на глубину 2 000 ...2 500 мм.

Заземляющие устройства для молниеприемников на деревянных стойках выполняются из высококачественных конструкционных сталей. Стандартами установлены следующие размеры минимального сечения (толщины) заземлителей:

• Стальные прутки круглого сечения диаметром не менее 6 мм.
• Полосы прямоугольного сечения – площадь поперечного сечения 48 мм2, толщина полосы 4 мм,
• Уголковая сталь – площадь поперечного сечения 48 мм2, толщина стороны 4 мм,
• Стальные газовые трубы – минимальная толщина стенок 3,5 мм.

Чаще всего для изготовления заземляющих устройств применяются следующие типы материалов:

• Полосовая сталь толщин 4 мм, ширина 20-40 мм.
• Уголковая сталь марки Ст5 и Ст6.
• Стальные трубы диаметром от 50 ...до 80 мм.

Молниеотводы стержневого типа, установленные на ж/б опоры, обладают прочной железобетонной конструкцией и оснащаются металлическим молниеприемником. Ранее использовались стандартные молниеотводы высотой до 16 метров на стойках из сборных ж/б изделий (Рис. 4). Для изготовления 12-ти метровых стоек использовался металлический прокат в форме шестигранника. В верхней части опоры приваривались металлические плиты, предназначенные для размещения молниеприемников круглого сечения, изготовленных из стальных труб. Для защиты от коррозионных процессов молниеприемники покрывались специальной краской или оцинковывались.

Рис. 4. Конструкции стержневых молниеотводов на сборных ж/б опорах (14 ...22 метра)

При высоте опор более 18 метров используются стандартные 12-ти метровые стойки, присоединяемые к железобетонными приставкам (7,5 м). В точках контакта стоек железобетонных опор с приставками к металлической арматуре привариваются стальные плиты. При помощи этих плит производится скрепление стоек с железобетонными приставками. Через отверстия приставки и стойки (Рис. 4) пропускается сквозной болт, который служит монтажным приспособлением и обеспечивает безопасную установку стойки опоры на железобетонные приставки. В настоящее время для стержневых молниеотводов на железобетонных опорах используются унифицированные изделия из стандартного железобетона, которые специально предназначены для установки опор высоковольтных ЛЭП (Рис. 5).

Рис. 5. Конструкции молниеотводов стержневого типа на железобетонных опорах (а – опоры изготовлены из вибробетона; б - для изготовления опор использован центрифугированный высокопрочный бетон).

Молниеотвод без прожекторной площадки (а):

2 – железобетонный подпятник.
3 – оголовок металлический.

Молниеотвод оснащённый прожекторной площадкой (б):
1 – несущая конструкция железобетонной стойки.
2 – железобетонный подпятник.
3 – оголовок металлический.
4 – конструктивный крепёжный элемент.
5 – металлическая часть стойки.
6 – металлический молниеприемник.
7 – площадка с осветительной аппаратурой.
8 – части ограждения прожекторной площадки.
9 – металлическая лестница.
10 – элементы крепления лестницы.

Железобетонные стойки изготавливаются из высокопрочного бетона марки М-300 и выше с металлической арматурой из стали марки СтЗ и Ст5. Для снижения веса стойки опоры внутренняя часть выполнялась полой. Металлическая арматура, расположенная внутри железобетонных стоек и приставок, представляет собой цельную конструкцию и выполняет функции токоотвода. В нижней части стойки (2,5...3 метра от нижнего конца стойки) делается металлический вывод, присоединённый к металлической арматуре. Данный элемент предназначен для соединения металлической арматуры и заземлителя громоотвода. Заземляющие устройства железобетонных молниеотводов стрежневого типа аналогичны заземлителям молниеотводов на деревянных опорах.

Для комплексной и надежной защиты подстанций от прямых попаданий молнии используются стержневые молниеотводы с удлиненными стальными и железобетонными опорами (до 40 м). На электроподстанциях необходимо обеспечить равномерное и достаточное освещение ОРУ и прилегающей территории. Для этого на их территории монтируются осветительные прожектора, размещенные на высоте порядка 10...15 метров. На Рис. 6 показаны громоотводы стержневого типа на железобетонных опорах с прожекторной площадкой (а) и без неё (б).

Стержневые молниеотводы на железобетонных опорах имеют несущую конструкцию на основе полой железобетонной стойки конусообразной формы. В нижней части диаметр стойки равен 800 мм, в верхней части он составляет 500 мм. В качестве токоотвода используется стальная арматура. На верхнем торце стойки устанавливается оголовок (3) и металлическая стойка (5), скреплённые при помощи крепёжного элемента (4). Металлическая стойка изготавливается в форме решётчатой конструкции из стальных уголков (36*4 ...50*5 мм). Длина молниеприемника (6) составляет 5 710 мм; диаметр в верхней части 26 мм. На отметке 710 мм молниеприёмник приварен к стойке. Для повышения общей жесткости молниеприёмника на длине 2 000 мм от верней части опоры к наружной поверхности молниеприёмника по окружности приварены металлические полосы (50*6 мм).

Установка в грунт производится на отметке 3 300 мм: в нижней части опоры закрепляется подпятник (2), закрывающий полую часть. На уровне 200 мм от поверхности земли закрепляется металлический элемент, соединённый с арматурой железобетонной стойки. Данный конструктивный элемент служит в качестве звена, соединяющего молниеотвод и заземляющее устройство.На Рис. 6 (б) показан стержневой молниеотвод с железобетонной опорой и прожекторной площадкой (7).

Конструкция молниеприёмника, железобетонной и металлической стойки (5) аналогичны молниеотводу без прожекторной площадки. Но в отличие от последней, имеется площадка для установки осветительной аппаратуры (7), металлическое ограждение (8) и лестница для обслуживающего персонала (9). Прожекторная площадка изготовлена из стального кругляка толщиной 12 мм. Лестница состоит из уголковой стали (40*4 мм и 50*4 мм), для ступеней использован круглый стальной прокат диаметром 16 мм. Ограждение площадки сформировано из уголков размером 50*4 мм и круглой стали диаметром 20 мм. Железобетонные опоры размещены на глубине 3 500 мм.

Молниеотводы на металлических опорах нашли широкое распространение для защиты электрических подстанций. Основные конструкционные элементы выполняются из высокопрочного стального проката: уголка и полос. Для защиты коррозии наружные металлические поверхности покрываются двумя слоями защитного лака с алюминиевой пудрой (примерно 20%). Молниеотводы стержневого типа размещают отдельно (с собственной системой заземления) или на конструкциях открытых распределительных устройств с соединением с общей системой заземления.

Практический опыт эксплуатации стержневых молниеотводов, размещенных на крышах зданий и сооружений, показал неэффективность подобных решений. Данные конструкции приводят к ускоренному износу кровельных материалов и требуют дополнительных затрат при проведении сервисных и ремонтных работ. В этой связи в настоящее время не установк стержневых молниеприемников на крышах зданий не выполняется.

Рис. 7. Молниеотводы стержневого типа, размещённые на металлических опорах: а – молниеотвод тросовой конструкции; б – несущая конструкция стержневого молниеотвода.

На рис. 7 показаны несущие конструкции стандартных молниеотводов, собранные из отдельных 5-метровых секций. Размерный ряд молниеотводов включает несколько видов: от 10-метровой конструкции (2 секции) до 50-метровой конструкции, в состав которой входит металлический молниеприёмник. Как правило при установке стержневого молниеотвода на нем выполняют площадки для установки освещения. Сейчас применяются стержневые молниеотводы на металлических опорах двух видов: с прожекторной площадкой и без прожекторной площадки.

На Рис. 8 показаны типовые конструкции молниеотводов стержневого типа без прожекторной площадки (а) и с площадкой для размещения прожекторного оборудования (б). Для несущей конструкции молниеотвода без прожекторной площадки применяется высокопрочный стальной прокат с размером уголка от 50*4 до 80*6 мм. Тросостойка (поз. 2) собрана из угловой стали 36*4...50*5 мм. Пятиметровый молниеприемник (поз. 3) изготовлен из круглого стального стержня, диаметр которого составляет 24 мм. В своей нижней части молниеприемник имеет рёбра жесткости (стальные полосы 50*4 мм, приваренные под углом 120° по всей окружности).

Для несущей конструкции стрежневого молниеотвода, имеющего прожекторную площадку, использована угловая сталь, с размером сторон от 65 до 110 мм и толщиной металла 5...8 мм. Из угловой стали 36*4...50*5 мм изготовлена металлическая тросостойка (поз. 2). Пятиметровый молниеприемник (поз. 3) имеет одинаковую конструкцию для стержневых молниеотводов обоих типов (Рис. 8а и Рис.8б). Прожекторная площадка (поз. 4) изготовлена из стального кругляка диаметром 12 мм.

Для металлического ограждения прожекторной площадки (поз. 5) использованы стальные уголки 50*4 мм и круглый прокат диаметром 20 мм. Металлическая лестница (поз. 6) изготовлена из угловой стали (40*4 и 50*4). Её ступени выполнены из кругляка диаметром 16 мм. Одиночные стержневые молниеотводы на металлических опорах всегда монтируются на прочных ж/б фундаментах. В качестве токоотводов применяются несущие стальные конструкции.

Для полноценной защиты энергообъектов современных подстанций используются молниеотводы (громоотводы) с несущими элементами из стального проката (уголки и полосы). Чаще всего конструкция громоотвода состоит из цельнотянутой стальной трубы или более сложной системы из нескольких труб различного диаметра. При высоте молниеотвода свыше пяти метров его основание выполняется в виде решётчатой конструкции из стальных уголков.

Рис. 8. Молниезащита электрических подстанций. Стержневые молниеотводы с металлическими опорами.

Соединение стержневых молниеотводов к конструкциям ОРУ производится разъёмными (хомуты и прочие крепежные элементы) и неразъёмными способами (сварные соединения).

Металлические конструкции современных молниеотводов, используемых для создания комплексной молниезащиты электрических подстанций и других энергообъектов, эффективно выполняют функции токоотводов. Как правило, молниеприёмники громоотводов монтируют на крышах зданий и строений. Чаще всего применяются сетчатые молниеприёмники: металлические сетки эффективной площадью до 150 квадратных метров.

Для изготовления сетки используются стальные прутки толщиной от шести до семи миллиметров. Для обеспечения свободного стока дождя и снега с поверхности кровли молниеприёмники сетчатого типа укладывают между стяжкой крыши и слоями защитной гидроизоляции и теплоизоляции. На Рис. 9. показаны типовые схемы сетчатых молниеприёмников. Для изготовления тоководов применяется стальной прокат в виде прутьев (толщиной от 6 мм) и полос (минимальное сечение 48 мм2 и толщина более четырёх миллиметров).

Рис. 9. Конструкции молниеприемников сетчатого типа (указаны размеры для объектов II категории; размеры в скобках для объектов III категории)

Если система молниезащиты установлена на здании с металлической крышей, то сами листы будут служить в качестве молниеприёмников.
Для подключения токоотводов к листам металлической кровли применяются специальные прижимающие устройства (Рис. 10).

Рис. 10. Конструкция зажима для присоединения молниеотвода к кровле из металлических листов:

Н открытых электрических подстанциях молниеотводы стержневого типа устанавливаются непосредственно на ОРУ или рядом с силовым оборудованием. В первом случае для заземления молниеотводов они соединяются с заземляющим устройством ОРУ, а во втором случае молниеприемники имеют собственное заземление, не связанное с контуром заземления ОРУ.

Заземляющие устройства на электрических подстанциях предназначены для следующих целей:

• Создание безопасных условий для обслуживающего персонала (защитное заземление).
• Присоединение нейтрального провода генераторов и трансформаторов (защитное рабочее заземление).
• Подключение технических средств грозозащиты (разрядников, молниеотводов, громоотводов).

С вышеперечисленными функциями успешно справляется общее заземляющее устройство, характеристики которого подбираются в соответствии с наиболее строгими требованиям. На энергообъектах подстанций защитное заземление является приоритетным по отношению к другим видам заземляющих устройств. Оно полностью удовлетворяет актуальным требованиям к системам грозозащиты и обеспечивает безопасные условия работы для технического персонала энергообъектов подстанций.

Обслуживающий технический персонал электрических подстанций может подвергнуться опасности в случае повреждения защитной изоляции, при этом возникает короткое замыкание, ток которого (Iкз), проходит через заземляющее устройство. На Рис. 11 в виде схемы показан масляный выключатель с металлическим баком, присоединённый к заземляющему устройству (сопротивление заземлителя равняется Ra).

1 – кривая распределения разности потенциалов; 2 – кривая распределения значений напряжения прикосновения.

При пробое изоляции масляного выключателя через элементы заземляющего устройства пойдёт ток Iз. В радиусе 20 м от заземляющего устройства каждая точка будет иметь разность потенциалов. Кривая 1 наглядно демонстрирует распределение разности потенциалов на поверхности земли. На корпусе бака выключателя и на заземляющем устройстве будет потенциал:

Если человек прикоснётся к корпусу бака то на его руках будет потенциал бака и заземлителя, а ноги человека подвергнутся воздействию потенциала UH, величину которого можно определить по кривой 1. Поэтому, на тело человека будет оказывать влияние разность потенциалов UB–UH (напряжение прикосновения Uпр), которое рассчитывается по формуле:

Кривая 2 (Рис. 11) наглядно демонстрирует изменение величины напряжения прикосновения: с приближением к опасному участку уменьшается напряжение прикосновения. Если человек не дотрагивается до поверхности бака, а просто подходит к нему ближе, то его левая и правая нога имеют собственный потенциал – разность значений этих потенциалов именуется шаговым напряжением. Большое напряжение шага и прикосновения представляют серьёзную опасность для здоровья и жизни технического персонала электрических подстанций.

Если сопротивление заземляющего устройства уменьшается, то это приводит к снижению до безопасного уровня напряжений шага и прикосновения, что в свою очередь уменьшает вероятность поражения человека электрическим током.
В целях обеспечения для персонала подстанций безопасных условий предусмотрено нормирование предельных значений стационарного заземления энергообъектов:

• Для оборудования с рабочим напряжением свыше 1 000 В (заземлённая нейтраль, ток однофазного КЗ более 0,5 кА) сопротивление заземляющего устройства не должно превышать 0,5 Ом.
• Для оборудования с рабочим напряжением < 1 000 В (заземленная нейтраль, мощность генераторов и трансформаторов более 100 кВА) сопротивление ЗУ должно быть менее 4 Ом.
• Для оборудования с рабочим напряжением менее 1 000 В (заземлённая нейтраль, мощность генераторов и трансформаторов не более 100 кВ*А) сопротивление заземляющего устройства должно быть не более 10 Ом.
• Для энергообъектов с рабочим напряжением до 1 000 В, имеющих заземленную нейтраль, расчёт величины сопротивления заземления производится по формуле:

Для энергообъектов с рабочим напряжением свыше 1 000 В (незаземленная нейтраль) значение сопротивления заземления рассчитывается по формуле:

где R – максимальное значение сопротивления заземления, Ом;
I – суммарный ток замыкания на землю, А.

На энергообъектах с изолированной нейтралью, в которых отсутствует компенсация ёмкостного тока КЗ, значение емкостного тока достигает нескольких сотен ампер и может продолжаться в течение долгого времени. Величина полного сопротивления ЗУ не должна превышать 10 Ом.

Сопротивление заземления на энергообъектах, имеющих компенсацию емкостных токов рассчитывается по вышеприведённым формулам, однако расчетное значение тока замыкания на землю на 25 % превосходит величину номинального тока. Для тех заземляющих устройств, которые не снабжены тококомпенсирующей аппаратурой, для расчетных целей принимается величина остаточного тока замыкания на землю (не менее 30 А).

Нормированная величина сопротивления заземляющих устройств вполне удовлетворяет действующим требованиям к системам рабочего и грозозащитного заземления. На электрических подстанциях для всех энергообъектов, которые питаются переменным или постоянным током с рабочим напряжением свыше 500 В, в обязательном порядке выполняется защитное заземление.

На промышленных энергообъектах с рабочим напряжением менее 500 В (кроме энергетического оборудования с переменным током не более 36 В) монтаж защитного заземления производится в следующих случаях:

• В помещениях с повышенным уровнем опасности.
• В особо опасных помещениях.
• При размещении оборудования вне помещений.
• На взрывоопасных энергообъектах с напряжением не более 36 В.

Конструкция заземляющих устройств для защиты электрических подстанций состоит из системы стальных электродов (L ≤ 5 м), находящихся в грунте в вертикальном положении. Верхние части заземлителей объединены металлическими полосами, образующими сетчатую систему. Число электродов и размер ячеек сетки определяется расчетным методом. Таким образом, значение стационарного заземления электрических подстанций зависит от:

• Геометрических размеров заземляющих устройств.
• Величины удельного сопротивления грунта.

Любой грунт, находящийся в сухом состоянии, обладает повышенным значением сопротивления растеканию тока. При высокой влажности грунта за счёт электрохимических реакций солей и кислот возникают электролиты, обуславливающие повышенную электропроводимость грунта, которая напрямую связана с влагоёмкостью почвы. Приближенные значения удельных сопротивлений типичных грунтов приведены в Таблице 1:

Таблица 1. Удельные сопротивления грунта.

При расчетах характеристик заземляющих устройств следует обращать внимание на взаимосвязь между удельным сопротивлением грунта и временем года. При измерениях удельного сопротивления грунта в зимнее время, необходимо применять сезонный коэффициент k. Для расчета заземления системы молниезащиты энергообъекта удельное сопротивление грунта также определяется с учетом сезонном коэффициента k, которые позволяет получить корректное значение удельного сопротивления.

Расчётное значение для сезонного коэффициента k приведено в Таблице 2 (зависит от влажности грунта):

Таблица 2. Значение сезонного коэффициента k в зависимости от влажности почвы

Стационарное сопротивление заземляющего электрода RD, находящегося в грунте в вертикальном положении (сопротивление растекания тока), определяется по следующей формуле:

где ρ – значение удельного сопротивления грунта, Ом-м.
L – длина заземляющего электрода, м.
d – внешний диаметр горизонтального электрода, м.

Стационарное сопротивление для горизонтального заземлителя на расчётной глубине рассчитывается по нижеприведённой формуле:

где L – длина горизонтального заземляющего электрода, м.
ρ – удельное сопротивление почвы, Ом-м.
d – диаметр горизонтального электрода, м.
t – глубина погружения заземляющего электрода в почву, м.

Согласно вышеприведённым формулам, у одиночного вертикального стержня (L=2,5...3.0 метра) в суглинистой почве (ρ =100 Ом*м) будет сопротивление около 30 Ом. Металлическая горизонтальная полоса (L=5,0 метра), находящаяся на глубине около 70 см, будет иметь стационарное сопротивление порядка 25 Ом. Расчетные значения показывают, что одиночные заземляющие устройства совершенно не удовлетворяют требованиям, которые предъявляются к сопротивлению заземляющих устройств, входящих в систему молниезащиты электрических подстанций.

Поэтому, для обустройства эффективной системы заземления промышленных энергообъектов применяются заземляющие устройства, состоящие из множества горизонтальных и вертикальных заземлителей. При создании системы заземления необходимо учитывать эффект взаимного экранирования – при небольшом расстоянии между соседними электродами возрастает сопротивление отдельно взятого заземлителя.

При движении тока по заземляющему электроду вокруг одиночного электрода возникают линии тока, обладающие правильной и равномерной структурой. В заземляющей системе, где имеется множество вертикальных или горизонтальных электродов, образуются неоднородности, связанные с взаимным влиянием линий тока соседних электродов (Рис. 12).

Рис. 12. Линии тока в заземлителе сложной формы при небольшом расстоянии между смежными электродами

Для корректного определения значения сопротивления электрода в заземляющем устройстве сложной формы (при наличии эффекта взаимного экранирования заземляющих электродов) применяется коэффициент использования заземлителя. Данный коэффициент меньше единицы и непосредственно связан с конструкцией электродов. В Таблице 3 представлены значения коэффициента использования Чтр для заземлителей трубчатой формы (электроды расположены в ряд; влияние связывающей полосы не учитывается).

Таблица 3. Определение коэффициента использования Чтр в зависимости от количества металлических труб и отношения расстояния между данными трубами к их длине.

В Таблице 4 представлены значения коэффициента использования ηn для заземляющих устройств трубчатой формы (электроды размещены в ряд и объединены между собой стальной полосой).

Таблица 4. Определение коэффициента использования трубчатых заземлителей.

Для создания эффективных заземлителей, предназначенных для защиты электрических подстанций, применяются искусственные и естественные заземляющие устройства, эксплуатирующиеся совместно с молниеотводами (громоотводами). Искусственные конструкции представляют собой металлическую сетку из стальных полос, расположенных в горизонтальной плоскости параллельно и перпендикулярно друг другу. При помощи полос все вертикальные заземляющие электроды соединяются в единый контур системы заземления энергообъекта.

Расчет сложного контура является трудоёмкой работой, требующей проведения большого объёма вычислительных операций. Для упрощения расчётов применяется более простая формула:

Значения коэффициента А, определяемые в зависимости от соотношения lf\/S, представлены таблице 5:

Таблица 5. Значения коэффициента А.

Эквивалентное удельное сопротивление почвы ρэ рассчитывается по кривым, приведенным на Рис. 13. Кривые зависимости, определяющие эквивалентное удельное сопротивление ρэ, соотнесённые к удельному сопротивлению 2-го слоя грунта ρг зависят от геометрических размеров и формы заземляющего контура, а также от глубины размещения электродов в грунте. Представленные кривые построены для различных соотношений между ρi и ρa.

Исходя из фактических размеров заземляющего устройства и метода размещение его в грунте, по кривым из Рис. 13 можно рассчитать эквивалентные удельные сопротивления ρэ. Эти кривые построены для различных типов заземляющих контуров, с учётом влияния неоднородности грунта на полное сопротивление заземлителя и действительное напряжение прикосновения. В качестве естественных заземляющих устройств для энергообъектов электрических подстанций можно привести:

• Системы заземлений опор ЛЭП, подключенные с помощью троса к заземлению подстанции.
• Металлические оболочки подземных кабелей.
• Металлические трубопроводы различного назначения.

Рис. 13. Расчёт относительного эквивалентного удельного сопротивления с учётом неоднородности грунта в точке заземления молниеотвода (громоотвода).

Выполненные расчёты показали, что обустройство защитных заземлений, обладающих минимальным сопротивлением в 0,5 Ом, в отдельных случаях связано с известными сложностями (большие значения удельного сопротивления грунта, незначительная площадь электрических подстанций и пр.), однако в других случаях можно обеспечить безопасные напряжения на электрооборудовании с заземленной нейтралью при сопротивлении, большем, чем 0,5 Ом.

Данное обстоятельство позволяет сэкономить немалое количество дорогостоящего металла при монтаже систем заземления электрических подстанций. В настоящее время действуют нормы, устанавливающие предельно допустимое напряжение на заземляющем проводнике и величину напряжения прикосновения, связанные с длительностью воздействия тока КЗ, которая состоит из времени включения релейной защиты и времени срабатывания выключателя:

Таблица 6. Наибольшее допустимое напряжения прикосновения.

Предельно допустимое значение напряжения на заземлителе не должно быть более 10 000 В. При расчёте систем защитного заземления распределительного электрооборудования и трансформаторных подстанций, с рабочим напряжением более 1 000 В (глухозаземлённая нейтраль) можно руководствоваться актуальными нормами, регламентирующими максимальное допустимое напряжение на заземляющем проводнике и допустимое напряжение прикосновения, которые обеспечивают должный уровень безопасности технического персонала электрических подстанций.

Комплексное заземление энергообъектов электрических подстанций всегда удовлетворяет требованиям стандартов, имеющих отношение к рабочим заземлениям и к системам заземлений средств молниезащиты. Однако при объединение средств грозозащиты и защитных заземлений электрических подстанций следует помнить о следующих особенностях. Все защитные и рабочие заземляющие устройства рассчитаны для отвода токов промышленной частоты.

Сопротивление заземлителей является стационарной величиной, между тем через систему молниеотводов проходит импульсный ток молнии, который по своим вольт-амперным и частотным характеристикам в корне отличается от токов КЗ. При прохождении через заземляющий проводник импульсного тока молнии возникают экстремальные условия, которых не наблюдаются при прохождении тока 50 Гц. При отводе импульсных токов грозового разряда через заземляющее устройство рядом с поверхностью заземляющих электродов отмечается исключительно высокая напряженность электрического поля, которая легко пробивает слой грунта. Вокруг заземляющего проводника возникает токопроводящая зона искрения, приводящая к увеличению эффективного поперечного сечения электрода, за счёт которого снижается общее сопротивление заземлителя.

Однако максимальное снижения сопротивления за счет искрообразования отмечается только в тех случаях, когда заземляющие электроды обладают небольшими геометрическими размерами, а индуктивное сопротивление проводников не оказывает заметного влияния на процесс отвода тока молнии в грунт. Подобные заземлители относятся к сосредоточенным. Величина сопротивления сосредоточенных заземлителей при импульсных процессах намного меньше, чем при прохождении тока с промышленной частотой.

При значительной длине заземляющего устройства индуктивность проводника оказывает серьёзное влияние на процесс отвод импульсного тока молнии в грунт. Степень влияния индуктивности возрастает при уменьшении продолжительности импульса тока молнии, при снижении удельного сопротивления земли и при увеличении протяжённости заземляющих проводников.

При прохождении импульсного тока молнии через заземляющее устройство значительной протяженности последнее можно представить в виде проводника, состоящего из двух частей, разделённых индуктивным сопротивлением (Рис. 14). При моментальном увеличении силы тока грозового разряда (крутая характеристика фронтального импульса) индуктивность заземлителя будет замедлять движение тока в проводнике. Отдалённые части заземляющего устройства (отрезок Б-В) с запозданием включаются в процесс отвода токов импульсного перенапряжения в грунт и поэтому снижают общую эффективность заземлителя. Подобные заземляющие устройства называются протяжёнными.

Протяжённые заземлители характеризуются повышенным сопротивлением при прохождении импульсного тока грозового разряда, которое превышает величину сопротивления при прохождении по заземлителю токов с промышленной частотой. Поэтому штатные выносные заземляющие устройства электрических подстанций, которые устанавливаются в низменным местах (реки, озёра, болота) и обладают низким сопротивлением, совершенно не пригодны для отвода импульсных токов значительной мощности.

Для учёта изменений сопротивления заземляющих устройств в зависимости от линейных размеров заземлителей при прохождении через них импульсных грозовых токов применяется импульсный коэффициент Хи. Данный коэффициент представляет собой отношение импульсного сопротивления Zи к значению стационарного сопротивления R при прохождении по заземлителю токов промышленной частоты.

Рис. 14. Схема функционирования заземлителя протяженной конструкции при отводе грозового заряда в землю

Величину импульсного сопротивления Zи можно определить по формуле:

Коэффициент импульса заземлителя принимает различные значения (он может быть больше, меньше или равен единице) и зависит от того, какой процесс в проводнике при прохождении тока молнии проявляется в большей степени: искрообразование или индуктивное сопротивление. При значительном искрообразовании и слабой индуктивности заземляющего устройства (сосредоточенные заземлители) сопротивление проводника уменьшается, поэтому значение коэффициента импульса будет меньше единицы. При высокой индуктивности (протяженные заземляющие устройства) величина коэффициента импульса превышает единицу.

Если эффект искрообразования и величина текущей индуктивности гасят друг друга, тогда коэффициент импульса равняется единице. Значение импульсного коэффициента стационарных заземляющих устройств связано не только с их геометрией и линейными размерами, но и зависит от величины удельного сопротивления почвы ρ и мощности тока грозового разряда. На рис. 15 в виде кривых представлена зависимость импульсного коэффициента для вертикальных заземлителей от характеристики почвы ρ и параметров тока молнии.

Как видно из приведенных графиков, с возрастанием силы импульсного тока молнии, проходящего через заземляющий проводник и при увеличении удельного сопротивления почвы, отмечается снижение значений импульсного коэффициента. При значительных амплитудах грозовых токов возрастает их плотность, что обеспечивает условия для формирования и развития искровой зоны вокруг проводника, а также приводит к уменьшению его сопротивления.

Рис. 15. Определение импульсных коэффициентов для заземлителей вертикального типа.

При росте удельного сопротивления грунта происходит развитие искровой зоны, величина которой находится в прямой зависимости от пробивной напряженности грунта Епр. Минимальное значение Ещ встречается в грунтах, обладающих удельным сопротивлением ρ=500 Ом*м.

При продолжительности предразрядного времени порядка 3...5 мкс Ещ = 6...12 кВ/см. Следует помнить, что при прохождении импульсного тока грозового разряда через контур защитного заземления электрической подстанции, который имеет значительные линейные размеры, данный контур будет вести себя как протяжённое заземляющее устройство. В этом случае импульсное сопротивление может превысить значение стационарного сопротивления, вследствие преобладания индуктивности проводника над искровыми процессами.

Рис. 16 Значения импульсного и стационарного сопротивления заземляющего устройства электрической подстанции

На рис. 16 показано изменение значений импульсного и стационарного сопротивления заземляющего устройства электрической подстанции в зависимости от размеров заземляющего контура и удельного сопротивления почвы. Заземляющее устройство в виде металлической сетки общей площадью S = 6 400 м2 (сторона контура 80 м), включающее 16 вертикальных электродов (L = 8 метров), при удельном сопротивлении грунта вблизи электрической подстанции ρ = 400 Ом*м обладает стационарным сопротивлением R равным 2,2 Ом, а импульсное сопротивление в этом случае составляет Zи = 2,5 Ом (при мощности грозового импульса 100 кА и времени разряда τ=6 мкс).

Заземляющий контур с сеткой площадью S = 400 м2 (сторона контура 20 м), состоящий из 4 вертикальных электродов (L = 8 м) при величине удельного сопротивления грунта ρ = 400 Ом*м обладает сопротивлением R= 6,9 Ом и Zи=6,1 Ом. Если в первом примере (S = 6 400 м2) величина импульсного сопротивления превосходит стационарное, то во втором примере (S = 400 м2), значение стационарного заземления превышает значение импульсного заземления.

Исходя из Рис. 16 можно сделать вывод, при увеличении площади заземляющего контура, происходит заметное снижение обоих видов сопротивления: как импульсного, так и стационарного. В заземлителях сложной формы эффект взаимного экранирования проводников отмечается при протекании импульсных токов и токов промышленной частоты. Между тем коэффициент использования заземлителей сложной формы при прохождении через них импульсных грозовых токов имеет меньшее значение, чем при протекании токов промышленной частоты.

Таким образом, при монтаже стержневых молниеотводов на конструкциях ОРУ электрических подстанций, когда заземляющим устройством для молниеотвода (громоотвода) служит заземляющий контур энергообъекта, который имеет значительные геометрические размеры то подобное заземляющее устройство принято считать протяженным. При необходимости заземления отдельных молниеотводов стержневого типа производится обособленное заземление, которое не связано с общим заземляющим контуром подстанции.

В Таблице 7 приведены типовые конструкции заземляющих устройств, которые при минимальной металлоёмкости обеспечивают импульсное сопротивление 10 Ом при попадании грозового разряда с импульсом 100 кА в грунты, обладающие удельным сопротивлением ρ от 100 до 650 Ом*м.

Таблица 7. Конструктивные варианты заземляющих устройств.

Природа молний такова, что предугадать место и время удара атмосферного электричества практически невозможно. Существует огромное количество теорий о том, что происходит при ударе молнией в землю, но до конца прояснить ситуацию, несмотря на все заверения специалистов, пока не удается.

Единственным проверенным средством, помогающим уберечься от удара атмосферного разряда, является молниеотвод. Но нельзя делать конструкцию для защиты от удара молнии, не имея представления, как работает молниеотвод. Вместо эффективной защиты, можно только увеличить вероятность удара молнии. Эффективность простого устройства будет достаточно высока, если владелец дома точно представляет, как сделать молниеотвод в частном доме, чтобы отвести удар молнии и одновременно обезопасить себя от электрического разряда.

Что представляет собой система защиты от удара молний

Чаще всего знания о том, как работает молниеотвод, сводятся к нескольким общеизвестным фактам:

• Молния ударяет во время прохождения грозового фронта над местностью с переменным рельефом или большим количеством деревьев, построек или плотной застройкой зданий и высотных объектов;
• Металлические предметы, техника и строительное оборудование, вышки и высокие деревья чаще всего становятся объектом удара молнии;
• Единственной возможностью безопасно компенсировать удар молнии является эффективное заземление молниеотвода.

В модели молнии принято, что электрический разряд начинается в грозовых облаках, и при ударе светящийся лидер направляется к поверхности земли. Принцип работы молниеотвода сводится к тому, чтобы переключить электрический удар на специальную проводную шину, отправляющую заряд молнии глубоко в землю.

К сведению! Для человека главным условием защиты от удара молнией является отсутствие гальванической связи с мокрым грунтом, сухая одежда, и главное — наличие рядом предметов, способных выполнить функции молниеотвода.

Сегодня даже школьник знает, из чего состоит молниеотвод фото. Самая простая конструкция защиты от удара молнии строится на основе трех базовых частей:

• Молниеприемника или оголовника молниеотвода, на который и приходится удар электрического разряда молнии;
• Токопроводящего контура из толстой стальной шины или нескольких медных проводов большого сечения;
• Системы заземления удара и рассеивания разряда молнии.

Основным условием эффективной защиты от ударов молнии является правильный подбор сечения металла шины, установка молниеотвода на оптимальной высоте и безопасное обустройство заземления. Не стоит обольщаться простотой и даже примитивностью его устройства. При несоблюдении простейших правил стальной каркас и шина молниеотвода могут быть не менее опасными, чем собственно удар молнии.

Что происходит во время грозы и удара молнии

Процесс образования электрического разряда в землю достаточно сложен и плохо предсказуем. Даже современная техника и методы расчета не могут указать на место удара молнии. Поэтому принцип действия молниеотвода строится на так называемой инициализации или провокации разряда молнии.

С первыми признаками грозы за счет мощного электрического поля в воздухе над высокими объектами, антеннами и оголовками молниеотводов резко увеличивается количество положительных зарядов. Еще нет грозы и ударов молнии, а над верхушками уже скопились огромные облака из заряженных ионов. Источником стекающих вверх зарядов является поверхность земли.

Любой человек может даже почувствовать запах этих зарядов, всем известно, как перед грозой усиливается влажность, выразительнее становятся запахи растительности и сырой земли. Если коснуться своими руками молниеотвода, то можно испытать небольшой удар током.

Так как молниеотвод соединен с грунтом, то вокруг оголовка и шины молниеотвода скапливается самый большой потенциал зарядов, поэтому удар молнии приходится именно в металлические части защиты, а не в крышу или соседний дом.

В некоторых случаях молниеотводы и шины дополнительно оборудуют грозовыми разрядниками или вентильной защитой. По сути, это контур, согнутый из шины в виде кольца или эллипса с разрывом. По мере увеличения напряженности поля накопившийся заряд разряжается на контуре, тем самым уменьшает вероятность удара молнии именно в этот объект. В первую очередь подобными молниеотводами с вентильной защитой оборудуются объекты, для которых удары молнии могут привести к катастрофическим последствиям, например, хранилища топлива, трансформаторные подстанции или линии электропередач

Как построить безопасный молниеотвод своими руками

В том, что система защиты от удара молнии может представлять огромную опасность для жизни человека, электронных приборов, систем электроснабжения и даже для просто находящихся рядом людей и животных, нет ни капли преувеличения.

Какую опасность представляет неправильно построенный молниеотвод

Во время удара молнии в оголовок приходит электрический заряд 150-200 Кл или несколько сот киловатт электроэнергии. Этого достаточно, чтобы пережечь стальную шину защиты сечением в 100-150 мм 2 или зажечь стропильный каркас крыши, испарить 200-250 литров воды. После удара молнии пришедшие заряды в молниеотводе никуда не деваются, на какую-то тысячную долю секунды система защиты работает, как гигантский конденсатор.

Важно! Стоит помнить, что энергия в сотни киловатт не может рассеяться в доли секунды после удара лидера молнии. Еще как минимум 3-5 сек. система разряжается. Если в это время коснуться частей молниеотвода рукой, то удар током может привести к тяжелым последствиям.

Если заземление молниеотвода построено правильно, то практически вся энергия заряда молнии стекает в поверхностный слой грунта. Процесс стекания заряда очень сложен, и точно сказать, как именно будут двигаться заряды от оголовника до заземляющей части молниеотвода, практически невозможно. Если токопроводящая шина обладает повышенным сопротивлением движению зарядов, то часть энергии может разрядиться на проходящую рядом электропроводку, телефонные линии, металлические детали крыши и каркаса здания.

Электричество может пройти даже по арматуре железобетона или мокрой штукатурке. В результате удара молнии может произойти скачок напряжения в электросети, возгорание деревянных или пластиковых деталей здания. Если в момент электроразряда произойдет перегорание шины, то ток пойдет в землю по всем ближайшим проводящим поверхностям, даже если нет непосредственного контакта с заземляющим проводником.

Еще более тяжелые последствия могут наступить, если рядом с шиной и металлом заземления находится человек. Даже если шина и заземляющая часть молниеотвода исправны, часть заряда молнии разряжается через влажный воздух и ближайшие проводящие детали. Последствия для человека могут быть такими же, как если бы он стоял под деревом, в которое пришелся удар молнии.

Кроме того, в момент распространения разряда в грунте на доли секунды возникает шаговое напряжение, представляющее не меньшую опасность, чем собственно сам электрический разряд. Поэтому пешеход, двигаясь по дорожке в непосредственной близости к контуру заземления, имеет все шансы получить сильнейший электрический разряд. Статистика знает случаи, когда во время удара молнии боковой разряд перескакивал с шины на металлические детали зонтика.

Требования к обустройству эффективного заземления молниеотвода

Суть шагового напряжения сводится к следующему. Стекающий по шине заряд от молниеотвода к заземлителю входит в грунт практически в одной точке, в которой создается самый высокий электрический потенциал, по мере удаления величина электрического напряжения сильно уменьшается. Человек, делая шаг вблизи шины, попадает в ситуацию, когда каждая нога находится под своим потенциалом. В результате от одной ступни к другой начинает течь ток, и человек получает сильнейший удар.

Поэтому первое требование эффективного молниеотвода относится к обустройству заземляющей части. Рассеивающий контур должен строиться по следующим правилам:

• Конструкция заземления выполняется в виде замкнутого контура сечением не менее 4х4 см, чаще всего треугольной или прямоугольной формы с длиной стороны 1,5-2 м;
• Контур приваривают к токоведущей шине только с помощью сварки. Если шина изготовлена из меди или алюминия, то на высоте не менее 30-40 см над уровнем грунта необходимо установить переходник «медь-сталь» или «алюминий-сталь»;
• Глубина погружения контура составляет от 70 до 100 см, в зависимости от влажности и сопротивления грунта.

Оголовок молниеотвода

Более распространенные типы молниеотводов изображены на схемах, приведенных ниже. Идеальный вариант молниеотвода в частном доме должен изготавливаться в виде отдельно стоящей вышки или штанги, высотой равной полуторному расстоянию от грунта до конька жилого помещения.

Чем выше установлен молниеотвод, тем большую площадь поверхности он обеспечивает защитой от поражения электрическим разрядом. Но на практике редко кто решается сделать такой молниеотвод в частном доме своими руками, так как бытует заблуждение, что штанга выше 12 м будет «собирать» все удары молний в округе.

Большинство специалистов рекомендует поднимать молниеотвод на высоту до 18-20 м, особенно если здание находится в плотной застройке частного сектора. Это обеспечит защищаемую площадь в виде круга радиусом 15-20 м, что для одного домовладения вполне достаточно.

Кроме штанги, широко используются виды молниеотводов, устанавливаемые на коньковую балку или трубу дымохода, с дополнительной разводкой медной шиной по коньку и слуховым окнам. Такая схема защиты от ударов молнии бывает достаточно эффективной, особенно если в качестве кровельного покрытия крыши используется металлочерепица или профнастил.

Диаметр штыря молниеотвода может быть от 15 до 25 мм, лучше всего использовать нержавеющую сталь или легированный металл. Для оголовка нет смысла использовать латунь, медь, алюминий. При ударе молнии возникает локальный перегрев металла молниеотвода, иногда с искрами и разбрызгиванием капелек металла. Любая такая капля может стать инициатором стекания заряда на металлическую кровлю или, еще хуже, привести к пожару.

Если на крыше установлены несколько выступающих труб и конструкций, то нужно будет устанавливать несколько стержней молниеотводов, или использовать универсальную систему защиты от ударов молний.

Токопроводящая шина молниеотвода

В задачу проводной шины входят не только функции «сброса» электрического заряда к заземляющему и рассеивающему контуру. Прежде всего, требуется вывести шине электрический разряд безопасно для постройки и людей, случайно оказавшихся рядом с домом.

Специалисты определяют несколько базовых требований к прокладке токопроводящей шины:

• Укладка шины выполняется без загибов под острым углом и тем более поворотов под углом 180 о. Любые петли и витки в спуске могут привести к возникновению мощного дугового разряда и перегоранию шины. В этом случае следующий удар молнии в молниеотвод может уничтожить крышу и само здание;
• Шина должна соединяться с заземлением и оголовком молниеотвода только сваркой, без использования любых болтовых соединений, хомутов и стяжек. Даже незначительное повышение местного сопротивления шины приводит к ее локальному перегреву и оплавлению. Особенно опасна ситуация, когда токоведущая шина сваривается из нескольких лент разнородного материала;
• Крепление токопровода по возможности должно выполняться с использованием петель и хомутов из диэлектрических материалов, например, стеклопластика. Исключением является ситуация, когда медные шины «разводятся» по поверхности металлической кровли.

Для токопроводящей шины обычно используют ленты из черного металла или меди. Наилучшим вариантом считается медная электротехническая шина диаметром не менее 8 мм, она выдержит любой удар молнии. Можно изготовить токоведущую линию из толстой алюминиевой катанки, диаметром не менее 12 мм. Например, использовать элементы насыпной обмотки мощного электродвигателя.

Немаловажным является также способ крепления шины и деталей молниеотвода.

Типовые конструкции молниеотводов

Для защиты частного дома используется несколько видов молниеотводов, используемых при построении комплексной грозовой защиты.

Типовая схема такой защиты приведена на рисунке. В состав защиты входят:

• Несколько приемных оголовков-штырей молниеотводов, рассредоточенных на наиболее уязвимых точках кровли;
• Разводка токопроводящей шиной по коньковой балке, ветровым планкам и скатам кровли. Как показывает практика, молния нередко поражает массивные металлические поверхности, находящиеся ниже молниеотвода;
• Система комплексного заземления, при этом контур от молниеотвода не должен соединяться с заземляющей линией электропроводки, в противном случае сгорит большая часть домашней техники;
• Устройство для защиты домашней аппаратуры и электросети при ударе молнии в линию электропередач.

Нередко токопроводящая шина становится источником проблем для домашней электросети. Во время удара молнии по шине протекает мощный импульс тока, способный вывести из строя цифровую технику, мобильный телефон, компьютер или сетевое оборудование интернета.

Поэтому перед тем как сделать молниеотвод, будущую линию укладки шины нужно обязательно экранировать. Для этого используется металлическая сетка с ячейкой не более 5 мм. Если шину молниеотвода предполагается уложить по бетонной или кирпичной стене, то сетку укладывают под штукатурку, и изолируют от шины. К экранирующей сетке припаивается провод, который подключается через вентильную защиту к общей системе заземления, но не к контуру молниеотвода.

Варианты построения защиты от удара молнии

Установка мачты с молниеотводом позволяет защищать большую часть придомовой территории. Для загородных дачных участков схема защиты от удара молнии не решает всех проблем. Особенно если учесть, что расстояние между постройками может составлять 40-50 м, высота защитной мачты в этом случае должна достигать нереальных 40-60 м. Поэтому все загородные постройки в обязательном порядке приходится оборудовать своими молниеотводами и системами защиты от ударов молнии.

Простейшая схема молниеотвода приведена на следующем рисунке.

Штырь или оголовок молниеотвода устанавливают на кирпичную трубу. Общая высота молниеотвода в верхней точке должна равняться величине диагонали коробки дома, умноженной на коэффициент 1,2.

Важно! Контур заземления молниеотвода должен находиться на расстоянии не менее 4-5 м от пешеходных дорожек или входа в дом.

Заземляющую шину пропускают по ветровой планке и «слепому» ребру здания. Если есть возможность, то шину лучше всего пустить в навесном варианте без крепления к коробке дома.

Для построек удлиненной формы приходится использовать защиту от удара молнией из нескольких штырей или устанавливать проволочный вариант молниеотвода, как на фото.

В этом случае молниеотводы устанавливаются только на фронтонах, а между ними натягивается толстая стальная проволока или трос, диаметром не менее 8 мм. Чтобы ветер не раскачивал систему молниеотвода, провод натягивают с помощью двух боковых подвесов из керамических изоляторов и пластиковых шнуров. Использование изоляторов обеспечивает правильную работу молниеотвода, без них электрический заряд от удара молнии способен стекать на землю по намокшему от дождя капроновому канату.

Третий вариант молниеотвода применяется для защиты кровельного покрытия крыши от прямого попадания молнии. Зачастую длина скатов крыши может превышать высоту дома в два и более раз, поэтому часть кровельного покрытия оказывается за пределами защищаемого круга. Если устанавливать дополнительные штыри по карнизу и на свесах, то это решит проблему, но серьезно повлияет на внешний вид здания, поэтому вместо штыревого молниеотвода устанавливают сетчатый.

Схема мало чем отличается от предыдущего варианта, в дополнение к тросу и стальным стержням на скатах закрепляют с шагом 4-6 м несколько горизонтальных и вертикальных ниток толстой многожильной проволоки. Если кровля изготовлена из металла, сетку молниеотвода нужно обязательно изолировать от металлической поверхности с помощью резиновых прокладок.

При ударе молнии диаметр пятна теплового поражения достигает 15-20 см, поэтому прямое попадание лидера, например, в металлочерепицу приведет к воспламенению обрешетки и гидроизоляции крыши.

Строим своими руками

Любое строительство грозовой защиты дома начинается с наиболее трудоемкой его части - с заземляющего контура. Схема постройки заземляющей части молниеотвода приведена ниже на чертеже.

Заземление удара молнии

Первоначально потребуется уточнить уровень грунтовых вод около фундамента дома. Если в здании есть погреб или подвальное помещение, регулярно затапливаемое водой, первоначально нужно будет сделать дренаж и защиту от влаги со стороны укладки металлического контура и шины.

Для плитных фундаментов и МЗЛФ котлован под заземляющий контур можно сделать в непосредственной близости к бетонной ленте или плите. В других случаях место под траншеи нужно перенести на 2-3 м от отмостки.

На первом этапе роем треугольную траншею с длиной стороны 300 см. Ширина траншеи не имеет значения, оптимальная глубина составляет 70-90 см. Для каменистых и песчаных грунтов траншею можно углубить по максимуму, для суглинка достаточно 70 см. Иногда под укладку деталей заземления отсыпают подушку из песка и отсева. Такой подслой хорошо впитывает воду из грунта, что обеспечивает малое сопротивление контура.

Металлический контур заземления должен изготавливаться в виде замкнутой рамы, такая конструкция обеспечивает наилучшее рассеивание заряда. Если на доме установлено три-четыре штыревых молниеотвода, каждый с заземляющей шиной, все токоведущие детали необходимо соединить одним контуром с помощью стальной ленты. Это позволяет выровнять потенциал и предупредить перетекание заряда в грунте.

Наиболее подходящий материал для контура - стальной уголок №50 или профилированная квадратная труба 70х40 мм. После сварки основных деталей рамы к одной из сторон приваривается контактная полоса, которая будет выводиться на поверхность. Если грунт слишком сухой, вместо полосы можно приварить дюймовую трубу, через которую удобно заливать рассол или воду. В летние месяцы, если нет дождей более 4-5 недель, нужно периодически увлажнять песчаную подушку, чтобы сопротивление грунта на входе на шину не увеличивалось.

К сведению! Металл заземляющего прямоугольника нельзя красить или обрабатывать защитными покрытиями, уменьшающими проводимость поверхности.

После установки каркаса в вырытую траншею металл проливают соленой водой и засыпают влажной землей. На поверхности можно сделать отсыпку из щебня и уложить тротуарную плитку, чтобы уменьшить гальваническую связь и риск появления шагового напряжения. Делать бетонную стяжку нет смысла, так как через 10 лет придется сделать замену частей молниеотвода, и бетон будет лишней помехой в работе.

Если уровень грунтовых вод достаточно низкий, то для контура молниеотвода потребуется пробурить несколько скважин диаметром 5-6 см на глубину до 2-3 м. Не обязательно бурить до воды, главное — достать до влажных слоев земли. В скважины вставляют металлические трубы, верхние части которых обязательно приваривают к общему контуру и к шине.

Отвод от контура заземления, как правило, прячут в стеновой нише цоколя или специальном боксе. Туда же заводят шину молниеотвода. После сборки все металлические части тщательно изолируют, чтобы избежать случайного касания шины со стороны людей или животных.

Наиболее подробное описание строительства молниеотвода в частном доме своими руками приведено на видео https://www.youtube.com/watch?v=0K6SNX1avXA.

Выполняем монтаж штыревого приемника и шины

Самая простая конструкция оголовка молниеотвода выглядит, как обычный кусок арматуры с заостренным кверху концом. Считается, что острые края способствуют возникновению разряда и большей эффективности молниеотвода, но на практике особых преимуществ в защите от удара молнии перед обычными штырями не наблюдалось.

Оголовок молниеотвода может выполняться в виде нескольких штырей, закрепленных в одной раме и даже в виде сетчатого каркаса. Некоторые конструкции молниеотводов позволяют в ночное время наблюдать интересное явление - при приближении грозы на остриях начинают зажигаться крошечные разряды молний. Это означает, что скоро будет гроза.

Штырь молниеотвода нужно соединить с токоведущей шиной еще до его установки на крыше. Высота стержня молниеотвода должна быть как минимум на 100-120 см выше верхней точки рядом стоящих дымоходов и вентиляционных труб. Можно взять обычную водопроводную трубу ¾ дюйма, длиной не менее двух метров.

В верхней части молниеотвода отверстие заваривается сваркой, если токоотводящая шина планируется из меди или алюминия, то проще всего использовать электротехнический переходник, позволяющий надежно соединять два контакта из разнородных металлов. Если просто закрепить медную проволоку на стальном штыре, через две-три недели из-за электрохимической коррозии место крепления окислится, и защита от ударов молнии перестанет работать. Молниеотводы и шины промышленного изготовления никогда не красят, металл фосфатируется и покрывается слоем никеля.

Разумеется, увеличенное сопротивление на контакте в месте крепления медной шины к стальной трубе не в состоянии остановить сверхсильный удар молнии, но речь идет о другом. Положительно заряженные частицы, которые скапливаются вокруг штыря молниеотвода во время грозы, из-за отсутствия контакта на шине будут перетекать на дымоход и козырьки вентиляции на крыше. В результате удары молнии будут попадать в дымоход, в кровлю и в шину, но не в штырь молниеотвода. Эффект ионизации воздуха вокруг молниеотвода имеет и другие негативные последствия. Прежде всего, шина и крепление молниеотвода под воздействием ионов и влажного воздуха корродирует в 5-10 раз быстрее, чем обычный металл.

После сварки штыря и шины молниеотвода их следует закрепить на крыше. Лучше всего это сделать с помощью хомутов или анкерными болтами. Нужно только следить, чтобы рядом с шиной не оказалось других проводящих деталей, например, кабеля от антенны или ограждения крыши. Не стоит крепить шину молниеотвода на неоштукатуренный кирпич или железобетонную плиту. Удар молнии, как правило, быстро разрушает оба материала.

Прежде чем закрепить молниеприемник, нужно установить шину на стены и крышу дома. Главное, чтобы рядом не оказался ввод электросети от ближайшей линии электропередачи. При ударе молнии дуга может проскочить от шины к фазовому проводу, даже если они удалены друг от друга на пару десятков сантиметров. Кроме сгоревшего счетчика и вводного щита, будет крупный штраф за неправильную установку молниеотвода и шины.

Заключение

Молниеотвод не обязательно делать своими руками, можно приобрести в готовом виде и установить. Многие компании выпускают системы защиты от ударов молний в комплекте с шинами и устройствами блокирования бытовой аппаратуры. Некоторые из них имеют встроенные датчики напряженности поля на шине, что позволяет узнавать о приближении грозы за полчаса до ее начала. Часть молниеотводов выполняют в виде декоративных фигур из металла, зажигающихся огоньками при ударе молнии. Но есть и немало случаев откровенного шарлатанства. Например, в рекламе одной из фирм предлагалась миниатюрная модель с покрытием из специального магнитного сплава, притягивающего молнии к оголовку. Понятно, что такие молниеотводы ради собственной безопасности стоит обходить стороной.

Молниеприемник непосредственно воспринимает прямой удар молнии. Поэтому он должен надежно противостоять механическим и тепловым воздействиям тока и высокотемпературного канала молнии. Несущая конструкция несет на себе молниеприемник и токоотвод, объединяет все элементы молниеотвода в единую, жесткую, механически прочную конструкцию. В электроустановках молниеотводы устанавливаются вблизи токоведущих частей, находящихся под рабочим напряжением. Падение молниеотвода на токоведущие элементы электроустановки вызывает тяжелую аварию. Поэтому несущая конструкция молниеотвода должна иметь высокую механическую прочность, которая исключила бы в эксплуатации случаи падения молниеотвода на оборудование электростанций и подстанций. Молниеотвод должен иметь надёжную связь с землёй с сопротивлением 5-25 Ом растеканию импульсного тока. Защитное свойство стержневых молниеотводов заключается в том, что они ориентируют на себя лидер формирующегося грозового разряда. Разряд происходит обязательно в вершину молниеотвода, если он формируется в некоторой области, расположенной над молниеотводом. Эта область имеет вид расширяющегося вверх конуса и называется зоной 100%-го поражения.

Опытными данными установлено, что высота ориентировки молнии H зависит от высоты молниеотвода h. Для молниеотводов высотой до 30 метров:

а для молниеотводов высотой более 30 метров H=600 м.

где - активная часть молниеотвода, соответствующая его превышению над высотой защищаемого объекта:

Рисунок 1.1 Зона защиты одиночного стержневого молниеотвода: 1 - граница зоны защиты; 2 - сечение зоны защиты на уровне.

Для расчёта радиуса защиты в любой точке защитной зоны, в том числе и на уровне высоты защищаемого объекта, используется формула:

где - поправочный коэффициент, равный 1 для молниеотводов высотой меньше 30 метров и равный для более высоких молниеотводов.

Зоны защиты протяженных объектов в которых используется несколько молниеотводов, целесообразно, чтобы зоны их 100%-го поражения смыкались над объектом или даже перекрывали друг друга, исключая вертикальный прорыв молнии на объект защиты Расстояние (S) между осями молниеотводов должно быть равно или меньше величины, определяемой из зависимости:

Зона защиты двух и четырёх стержневых молниеотводов в плане на уровне высоты защищаемого объекта имеет очертания, приведённые на рисунке 1.3, а, б.

Наименьшая ширина зоны защиты, показанный на чертеже радиус защиты определяется так же, как и для одиночного молниеотвода, а определяется по специальным кривым. На рисунке 1.2 показаны конструкции стержневых молниеотводов. Если у молниеотводах высотой до 30 метров, расположенных на расстоянии, наименьшая ширина зоны защиты равна нулю.

Рисунок 1.2 Конструкции стержневых молниеотводов на железобетонных опорах: а -из вибрированного бетона; б - центрифугированного бетона

Рисунок 1.3 Стержневые молниеотводы на металлических опорах: а - тросовый молниеотвод (несущая конструкция); б - стержневой молниеотвод (несущая конструкция)

На рисунке 1.3 показаны конструкции стержневых молниеотводов на металлических опорах. Радиусы защиты определяются в этом случае так же, как и для одиночных молниеотводов. Размер определяется по кривым для каждой пары молниеотводов. Диагональ четырёхугольника или диаметр окружности, проходящей через вершины треугольника, образованного тремя молниеотводами, по условиям защищённости всей площади должны удовлетворять зависимости:

Для молниеотводов высотой меньше 30 м:

Для молниеотводов высотой более 30 м:

Отдельно стоящие стержневые молниеотводы с металлическими опорами устанавливаются на железобетонных фундаментах. Токоотводамп для таких молниеотводов служат несущие конструкции. На металлических и железобетонных конструкциях ОРУ, как правило, устанавливаются молниеотводы с металлическими несущими частями. Конструкция их крепления определяется особенностями той конструкции ОРУ, к которой крепится стержневой молниеотвод. Обычно конструкция молниеотводов, устанавливаемых на конструкциях ОРУ, представляет собой стальную трубу, нередко состоящую из труб нескольких диаметров. Молниеотводы высотой более 5 м в основании имеют решетчатую конструкцию из угловой стали. Потенциал на молниеотводе в момент разряда определяется зависимостью:

где - импульсное сопротивление заземления молниеотвода 5-25 Ом;

Ток молнии в хорошо заземлённом объекте.

Потенциал на молниеотводе определяется:

где - крутизна фронта волны тока;

• - точка молниеотвода на высоте объекта;
• - удельная индуктивность молниеотвода.

Для расчёта минимального допустимого приближения объекта к молниеотводу можно исходить из зависимости:

где - допустимая импульсная напряжённость электрического поля в воздухе, принимаемая 500 кВ/м.

Руководящие указания по защите от перенапряжений рекомендуют расстояние до молниеотвода принимать равным:

Эта зависимость справедлива при токе молнии, равным 150 кА, крутизне тока 32 кА/мксек и индуктивности молниеотвода 1,5 мкГн/м. Независимо от результатов расчёта, расстояние между объектом и молниеотводом должно быть не менее 6 метров.

Тросовый молниеотвод. Значения коэффициентов k и z берутся в зависимости от допускаемой вероятности прорыва молнии в зону защиты. Вероятность прорыва молнии в зону защиты равна отношению числа разрядов молнии в защищаемое сооружение к общему числу разрядов молнии в молниеотвод и защищаемое сооружение. Если допускается вероятность прорыва молнии в зону защиты 0,01, то коэффициент 1, а при допускаемой вероятности 0,001, т. е. защитные зоны тросовых молниеотводов несколько меньше защитных зон стержневых молниеотводов. Форма зоны защиты двух параллельных тросовых молниеотводов высотой до 30 м. Внешние границы зоны защиты каждого троса определяются так же, как и для одиночного тросового молниеотвода. В зависимости от конструкции опор, могут быть применены один или два троса, наглухо присоединённые к металлической опоре или к заземляющим металлическим спускам деревянных опор. Для предохранения троса от пережога током молнии и контроля заземления опоры крепления троса производится с помощью одного подвесного изолятора, шунтированного искровым промежутком. Эффективность тросовой защиты тем выше, чем меньше угол, образованный вертикалью, проходящей через трос, и линией, соединяющей трос с крайним из проводов. Этот угол называют защитным углом, принимая его величину в пределах

Зона защиты двух тросовых молниеотводов высотой более 30 м. Метод построения зоны защиты для этого случая такой же, как и для тросовых молниеотводов высотой до 30 м, но на расстоянии от вершины зона усекается так же, как у одиночных тросовых молниеотводов. Ширина защитной зоны, исключающей прямое поражение проводов на уровне высоты их подвеса, определяется зависимостью:

Эта зависимость справедлива для высоты подвеса троса 30 м и ниже.

Молния – мощное проявление сил природы, с которым человек сталкивается с завидной регулярностью. Это электрический разряд, возникающий из-за взаимного трения потоков теплого воздуха с каплями воды облаков и с землей. Его энергия настолько велика, что он валит деревья, поджигает деревянные кровли, выводит из строя электроприборы и всю электропроводку. Для защиты от негативных последствий удара молнии устанавливают молниеотводы.

Устройство молниеотводов нельзя назвать сложным, однако при их строительстве надо руководствоваться принципами надежности, пожаробезопасности и соблюдать параметры, описанные в инструкциях.

История молниеотвода

Земля, по сути своей, представляет огромный конденсатор. Одна обкладка – поверхность планеты и всего, что на ней находится. Другая обкладка выполнена из свободных зарядов в атмосфере. Воздух в этой системе играет роль диэлектрика. Именно его пробой и представляет собой молнию.

Осознав суть молнии как электрического процесса, изобрел и разработал устройство первого молниеотвода Бенджамин Франклин. Талантливый физик не смог развить свой дар в науке из-за бурной политической деятельности, благодаря чему его портрет изображен на стодолларовой купюре.

Тесла понял, что молния ударяет в самую высокую точку, связанную с Землей, по причине наименьшей толщины диэлектрика (слоя воздуха). В результате серии проведенных опытов, воздушный змей стал первым молниеотводом в истории. В России еще раньше подобные эксперименты проводил Ломоносов совместно с другим физиком Рихманом.

Вообще, молниеотвод – это устройство, отводящее разрушающую энергию молнии от защищаемого объекта и рассеивающее ее посредством заземления. О значении молниеотводов знали много веков назад, наблюдая, как молнии попадают в высокие деревья, колонны и башни. Однако научные эксперименты и обоснованные выводы были сделаны только в XIII веке.

Части конструкции

В принципе, устройство любого молниеотвода подразумевает наличие трех составляющих.

Молнеприемник должен выдерживать напряжения в миллионы вольт, высокую температуру и существенное ударное воздействие (молния может расщепить крупное дерево).

Эту часть молниеотвода изготавливают из проводящего металла. Применяют стальную проволоку большого диаметра (10-12 мм), стальную полосу или пруток.

Токопровод, связывающий молниеприемник с заземлителем, выполняется из проводника, и должен выдерживать кратковременное протекание колоссальных токов. Производством токоотводов занимаются отечественные и зарубежные фирмы. Вместе с проводником они предлагают крепления, что значительно упрощает монтаж устройств.

Третья часть молниеотвода – заземляющее устройство (ЗУ), способствующее беспрепятственному растеканию тока в землю из токопровода.

Сюда же справедливо можно было бы добавить и основание, на котором собрана вся эта конструкция. Но обычно в его качестве выступают сами объекты защиты (здания, опоры ЛЭП и прочее), хотя устройство молниеотвода может предполагать его размещение как самостоятельной единицы на отдельном основании.

Для предотвращения коррозии элементы молниеотвода должны быть оцинкованы или хотя бы окрашены. Если применяется покраска, то часть заземлителя, находящаяся в грунте, не окрашивается.

Виды

В общем случае можно выделить следующие виды громоотводов, применяемых на практике:

• наиболее распространенные, благодаря низкой стоимости и простому устройству, но оттого не менее эффективные, стержневые молниеотводы;
• обеспечивают защиту протяженных объектов типа длинных строений или высоковольтных ЛЭП;
• , обладающим наибольшей эффективностью, отдают предпочтение в случае защиты особо важных объектов.

Стоимость сетчатого громоотвода весьма высока. Поэтому, несмотря на высокую степень защиты, такие устройства применяются крайне редко, когда молниезащита имеет особое значение. Тросовые и стержневые системы примерно равнозначны по эффективности, но из-за простоты в обслуживании и небольшой разницы в стоимости последние имеют приоритет в применении.

Отдельным видом молниеотводов является . Внешне они практически ничем не отличаются от стержневых устройств.

Разница лишь в том, что в молниеприемник (самый кончик) встраивается электронное устройство, способствующее генерации высоковольтных импульсов во время грозы. Создавая такую «приманку» для молнии, активные системы в буквальном смысле ловят ее. Устройство такого типа принято считать самыми эффективными.

Есть компании, освоившие производство молниеотводов на промышленной основе, но зачастую эти устройства, учитывая их простоту, делают самостоятельно.

Монтаж молниеприемника

Сразу следует оговориться, что требования ПУЭ предусматривают выполнение соединений между всеми частями молниеотвода исключительно сваркой. Если это невозможно, допускается резьбовое соединение болтами и гайками.

Площадь шайб, применяемых при резьбовом соединении, должна быть увеличена. Не допускается производить монтаж элементов системы скруткой проводов или какими-либо другими методами.

Разумеется, высоту молниеприемника, в основном определяющую его эффективность, необходимо максимизировать. Согласно инструкции РД, для обеспечения надежной защиты надо поднять громоотвод минимум на 3 м над поверхностью сооружения. Это касается стержневых устройств.

Высота прокладки тросового молниеотвода зависит от длины и высоты здания, конструкции заземлителя и удельного сопротивления грунта, может составлять 3-4 м. Для монтажа троса рекомендуется укреплять деревянные опоры на обоих коньках здания, а между ними натягивать тросовый громоотвод, если речь идет о коньковых крышах.

Конструктивные особенности сеточных громоотводов позволяют крепить такие устройства значительно ниже. В зависимости от шага сетки они могут быть расположены в десятке или нескольких десятках сантиметров от плоской кровли. Сетка с ячейками 6Х6 см может быть уложена непосредственно на поверхность крыши или даже под слой утеплителя, если он не горюч.

Токоотвод и заземлитель

Токопровод (токоотвод) это не менее важный элемент молниеотвода, чем молниеприемник или заземляющее устройство. Если молниеприемник должен иметь площадь поперечного сечения, равную 100 мм 2 (пруток диаметром 12 мм), токоотвод, не испытывающий термической и ударной нагрузки, не может иметь диаметр менее 6 мм (ПУЭ).

Увеличенное сечение токоотвода, принимая во внимание возможную величину протекающего по нему тока, только приветствуется.

Заземляющее устройство молниеотвода чаще всего соединяется с заземляющим контуром всего здания. В случае стоящего отдельно устройства молниезащиты в качестве ЗУ используются металлические штыри, забиваемые или закапываемые в грунт.

Для улучшения проводимости иногда эти штыри объединяют в группы, сваривая из них конструкции прямоугольной формы при помощи стальной полосы. Но в любом случае требования ПУЭ регламентируют сопротивление между ЗУ и землей, которое не должно превышать 40 Ом при удельном сопротивлении почвы 1 кОм*м.

Все элементы молниеотвода должны быть надежно защищены от коррозионных разрушений. Наилучший вариант доиться этого состоит в использовании для элементов системы оцинкованной стали.

Зоны защиты

Схема зоны защиты одного отдельно стоящего стержневого молниеотвода представляет собой большой конус. Для громоотводов, не превышающих высоты 150 м, принимаются следующие габаритные размеры устройства:

• для зоны, находящейся на уровне земли h 0 = 0,85h; r 0 = (1,1 – 0,002h)h; r x = (1,1 – 0,002h)(h – h x /0,85);
• для зоны на уровне крыши, например: h 0 = 0,92h; r 0 = 1,5h; r x = h – 1,5(h x /0,92);

где h – высота молниеотвода; h 0 – некоторая высота (обычно уровень крыши); r x – диаметр основания конуса на высоте h 0 .

Определившись с условными габаритами, можно использовать формулу:

h = (r x + 1,63h x)/1,5

для вычисления требуемых параметров. Если, например, известны r x и h x (требуемый радиус зоны защиты и заданная высота этой зоны), можно вычислить высоту одиночного стержневого молниеотвода, требуемую для надежной защиты h.

И, наоборот, при известных h и h x легко вычисляется радиус зоны r x и, сравнивая его с необходимым, делается заключение об эффективности устройства молниезащиты.

Расчет двойного стержня

Примерно те же действия проводят и при расчете двойного стержневого молниеотвода и, в принципе, группы таковых. Здесь лишь нужно учесть расстояние L, на котором штыри находятся друг от друга.

Построив круговые зоны защиты каждого из них, смотрят на их пересечение. Если все защищаемое пространство лежит в их пределах, значит, надежная защита обеспечена. По тому же сценарию можно определить зоны защиты разновысоких устройств.

Зона защиты тросового молниеотвода, точнее, ее основание имеет форму скругленного прямоугольника. Для одиночного устройства этого типа высотой h менее 150 м принимаются следующие допущения:

где h оп – высота опоры.

Тогда для зоны на уровне земли принимаются габариты:

h 0 = 0,85h; r 0 = (1,35 – 0,0025h)h; r x = (1,35 — 0,0025h)(h — h x /0,85).

Для зоны, находящейся на некоторой высоте h x , эти размеры задаются следующим образом:

h 0 = 0,92h; r 0 = 1,7h; r x = (h — h x /0,92).

Как и в случае со стержневым молниеотводом, тросовое устройство также имеет формулу, позволяющую определить любые его параметры по заданным, а именно:

h = (r x + 1,85h x)/1,7.

С ее помощью можно определить необходимую высоту устройства, по известным параметрам площади, нуждающейся в защите, и ее высоте расположения или провести обратную процедуру.

На самом деле, расчет зон защиты молниеотводных устройств немного сложнее. Описанные методы показывают лишь принципы, на которых он строится. Более подробную информацию можно без труда найти в специальной литературе.

Следующая страница>>

§ 7. Молниезащита. Виды молниеотводов и их защитные зоны: стержневой одиночный, стержневой двойной, антенный.

Во время грозы разряды атмосферного электричества, имеющего напряжение до 150000000 В и силу тока до 200000 А, способны вызвать взрывы, загорания и разрушения наземных объектов. В целях обеспечения безопасности людей, сохранности зданий и сооружений, оборудования и материалов от электрических, тепловых и механических воздействий молнии выполняется молниезащита.

Молниезащита представляет собой комплекс защитных устройств, предусмотренных СН 305-77. Нормами установлены три категории устройств молниезащиты в зависимости от взрывной и пожарной опасности, вместимости, огнестойкости и назначения защищаемых объектов, а также с учетом средней грозовой деятельности в год в географическом районе расположения объекта.

Объекты I и II категорий защищают от прямых ударов молнии, от электростатической и электромагнитной индукции, от заноса высоких потенциалов через надземные и подземные металлические коммуникации.

Объекты III категории защищают от прямых ударов молний и от заноса высоких потенциалов через надземные металлические коммуникации, а установки с корпусами из железобетона или синтетических материалов и плавающие крыши - и от электростатической индукции.

Наиболее опасен прямой удар молнии, когда возникает непосредственный контакт молнии с объектом, сопровождающийся протеканием через него тока молнии. Защита зданий и сооружений от прямых ударов молнии осуществляется молниеотводами, воспринимающими молнию и отводящими ее ток в землю.

Защитное действие молниеотвода основано на том, что молния поражает наиболее высокие и хорошо заземленные металлические сооружения. Следовательно, сооружение не будет поражено молнией, если оно находится в зоне защиты молниеотвода. Зона защиты молниеотвода - часть пространства, примыкающая к молниеотводу, которая обеспечивает защиту сооружения от прямых ударов молнии с достаточной степенью надежности (99%).

Быстрые изменения тока молнии порождают электромагнитную индукцию - наведение потенциалов в незамкнутых металлических контурах, создающее опасность искрения в местах сближения этих контуров. Это называется вторичным проявлением молнии.

Возможен также занос наведенных молнией высоких электрических потенциалов в защищаемое здание по внешним металлическим сооружениям и коммуникациям.

Защита от электростатической индукции достигается путем присоединения металлических корпусов электрооборудования к защитному заземлению или к специальному заземлителю.

Для защиты от заноса высоких потенциалов подземные металлические коммуникации при вводе в защищаемый объект присоединяют к заземлителям защиты от электростатической индукции или электрооборудования.

Молниеотводы состоят из несущей части (опоры), молниеприемника, токоотвода и заземлителя. Существует два типа молниеотводов: стержневой и тросовый. Они могут быть отдельно стоящие, изолированные и не изолированные от защищаемого здания или сооружения (рис. 86, а-в).

Рис. 86. Виды молниеотводов и их защитные зоны :

а - стержневой одиночный; б - стержневой двойной; в - антенный; 1 - молниеприемник; 2 - токоотвод, 3 - заземление

Стержневые молниеотводы представляют собой один, два или больше вертикальных стержней, устанавливаемых на защищаемом сооружении или вблизи него. Тросовые молниеотводы - один или два горизонтальных троса, каждый закрепленный на двух опорах, по которым прокладывают токоотвод, присоединенный к отдельному заземлителю; опоры тросового молниеотвода устанавливают на защищаемом объекте или вблизи него. В качестве молниеприемников используют круглые стальные стержни, трубы, стальной оцинкованный трос и др. Токоотводы выполняют из стали любой марки и профиля сечением не менее 35 мм 2 . Все части молниеприемников и токоотводов соединяют сваркой.

Заземлители бывают поверхностные, углубленные и комбинированные, изготовленные из стали различного сечения или труб. Поверхностные заземлители (полосовые, горизонтальные) укладывают на глубине 1 м и более от поверхности земли в виде одного или нескольких лучей длиной до 30 м. Углубленные заземлители (стержневые вертикальные) длиной 2-3 м забивают в грунт на глубину 0,7-0,8 м (от верхнего конца заземлителя до поверхности земли).

Сопротивление заземлителя для каждого отдельно стоящего молниеотвода не должно превышать для молниезащиты зданий и сооружений I и II категорий - 10 Ом и III категории - 20 Ом.