Молниеотвод

Спросите своих друзей, которые недавно построили загородный дом, защитили ли они его от молнии. 90% респондентов ответят «нет». Причина — незнание возможных последствий такого легкомыслия или типичное русское «авось». Меж тем молния страшна непредсказуемостью — одна из 2000 среднестатистических небесных искр может неожиданно попасть в ваш дом в эту самую секунду!

Различают первичные поражающие факторы молнии (в результате ее прямого попадания) — это пожар, разрушения, а также вторичные — занос наведенного потенциала, появление во внутренней сети источников потребления электростатической и электромагнитной индукции. Электростатическая индукция (наведение заряда противоположного знака на предметах, изолированных от земли) опасна разрядом на ближайшие заземленные предметы. Электромагнитная индукция появляется за те доли секунды, которые «живет» разряд молнии, и вызывает в металлических предметах электродвижущую силу разной величины. В местах, где контуры достаточно близки друг к другу, могут происходить электрические разряды. Оба вида индукции чреваты травматизмом, возникновением пожаров. Занос наведенного потенциала случается во время прямого удара молнии в металлокоммуникации здания (провода, водопровод, газопровод и т. п.). В итоге — искрение и возможный вывод из строя радиоэлектронной аппаратуры.

До изобретения молниеотвода (примерно 200 лет назад) единственным способом борьбы с молниями считали беспрерывный колокольный звон во время грозы. Итогами такой «борьбы» были разрушенные колокольни и погибшие звонари (400 колоколен и 120 звонарей только за 33 года и только в одной Германии). Сегодняшняя статистика гибели людей от разрядов молний не менее тревожна — более 100 человек погибают ежегодно только в США.

Человек, придумавший способ нейтрализации удара молнии с помощью громоотвода (правильнее — молниеотвода) был гражданином США, и звали его Бенджамин Франклин. Всего семь лет посвятил Франклин изучению электричества. Главным итогом этого увлечения и стал молниеотвод. За остальные годы своей многогранной творческой деятельности Франклин сумел создать карту течения Гольфстрим, изобрел экономичную печку, до сих пор распространенную в Америке и Франции, придумал уличные фонари и двойные очки для старческой дальнозоркости, да еще поработал в должности президента США (всем знаком его портрет на банкноте $ 100). Немало сил и времени Франклин потратил на нешуточную борьбу с мракобесами всех мастей за «внедрение» в широкую практику своих громоотводов.

НОРМЫ

Сегодня никому не приходит в голову бороться с громоотводами (ныне — молниеотводами), как это было, например, во Франции в 1780–1784 гг. Тогда по разные стороны «баррикад» оказались Робеспьер и Марат. Более того, сегодня установка системы молниезащиты — обязательная процедура при строительстве, по основным пунктам регламентированная ПУЭ (Правилами устройства электроустановок) и ГОСТами. Практическим документом, в котором расписаны все расчетные нормы и величины по устройству молниезащиты, является Инструкция по устройству молниезащиты зданий и сооружений (РД 34.21.122-87). Эта инструкция практически в неизменном виде действует с 1987 г. и до сих пор остается единственным документом, определяющим конструкцию молниеотводов.

Жизнь, естественно, вносит в нормативные показатели свои коррективы — сама рабочая инструкция — остался неизменным!

Даже в рамках этой статьи можно было бы вкратце пересказать все основные нормативные требования инструкции по устройству системы молниезащиты, описать значения «толщин, глубин, высот» ее элементов. Но хотим отметить: к устройству молниезащиты современного дома, насыщенного электроникой, уже нельзя подходить упрощенно, по-дилетантски. Да, пока инструкция позволяет самостоятельное оснащение хозяином своего жилища молниезащитой, более того, для определенных районов система еще не требуется в обязательном порядке. «Обязательность» возникает, лишь если для данной местности годовое число гроз — 20 и более. Зная число гроз, габариты здания, специалист в силах рассчитать вероятное количество попаданий в него молнии. На практике встречаются места с геологическими или иными аномалиями, куда молнии тянет как магнитом, и частоту возможного попадания молнии здесь рассчитать никак нельзя. Ведь молния — не артиллерийский снаряд, она действительно способна неоднократно попадать в одно и то же место.

ВНЕШНЯЯ МОЛНИЕЗАЩИТА

Что же такое молниеотвод, какие типы этих устройств существуют и почему молнии иногда попадают совсем не в молниеотвод?

Молниеотвод — это устройство из трех основных элементов: молниеприемника, который принимает разряд молнии; токоотвода, который должен направить принятый разряд в землю, и заземлителя, который отдает заряд земле. Молниеприемник может иметь вид металлического штыря (стержневой), натянутого вдоль конька крыши металлического троса или металлической сетки из арматуры с шагом ячеек обычно 6–12 м. Для защиты от прямого удара молнии как можно большей площади следует устанавливать молниеприемник на такую высоту, чтобы в зону защиты (это все, что вмещается в конус, высота которого определяется высотой молниеприемника, а диаметр основания равен тройному значению высоты) попадали выбранные объекты. Для таких молниеотводов используют достаточно высокие, стоящие рядом деревья или сооружают мачты. Но мачты не всем по карману, да и пейзаж они не облагораживают. Поэтому чаще всего применяют тросовые и сетчатые молниеприемники, причем для строений с неметаллической кровлей допустима упрощенная схема молниезащиты.

При грозовых разрядах в линиях могут возникать кратковременные импульсы больших энергий. Их длительность — от 1 микросекунды до 700 микросекунд и более. Величины напряжений этих импульсов от сотен вольт до десятков киловольт. Для коттеджных поселков с длиной линий электропередач в несколько сот метров наиболее вероятны импульсы напряжений до 6000 В с током до 3000 А. В линиях, находящихся внутри зданий, вероятные импульсы напряжений — до 6000 В, а сила тока — до 500 А. Основным (но не единственным) каналом попадания грозовой импульсной энергии в цепи питания является индуктивный канал, образуемый самим проводящим стволом молнии.

Попав в цепи питания (электропроводка на 220 В, цепи питания теленаблюдения и телекоммуникаций, пожарной автоматики и т. п.), импульс выходит на элементы и внутренние структуры оборудования, вызывая их поражение.

Простейшие устройства защиты в этом случае — грозоразрядники (газовые и четвертьволновые). Они способны ограничить напряжения в 10–30 кВ до 20–30 В. Но у них мала скорость срабатывания. Металлооксидные варисторы срабатывают быстрее, но величина остаточного напряжения у них может быть много выше допустимой. TVS-диоды — самые быстрые элементы защиты, но тоже имеют свои границы применимости: через них могут протекать токи не более 200 А.

СЛУЧАИ ПРИМЕНЕНИЯ УПРОЩЕННЫХ СПОСОБОВ ЗАЩИТЫ ОТ ПРЯМЫХ УДАРОВ МОЛНИИ

При наличии на расстоянии 3–10 м от строения деревьев, в 2 раза и более превышающих его высоту с учетом всех выступающих над кровлей элементов (дымовые трубы, антенны и т. д.), по стволу ближайшего дерева прокладывают токоотвод, верхний конец которого выступает над кроной дерева не менее чем на 0,2 м. У основания дерева токоотвод присоединяют к заземлителю.

Если конек кровли соответствует наибольшей высоте постройки, над ним подвешивают тросовый молниеприемник, возвышающийся над коньком не менее чем на 0,25 м. Опорами для молниеприемника служат закрепленные на стенах строения деревянные планки. Токоотводы прокладывают с двух сторон по торцевым стенам строения и присоединяют к заземлителям. При длине строения менее 10 м токоотвод и заземлитель выполняются только с одной стороны.

При наличии возвышающейся над всеми элементами кровли дымовой трубы над ней устанавливают стержневой молниеприемник высотой не менее 0,2 м, кладут по кровле и стене строения токоотвод, присоединяют его к заземлителю.

При наличии металлической кровли ее хотя бы в одной точке присоединяют к заземлителю, при этом токоотводами служат наружные металлические лестницы, водостоки и т. д. К кровле присоединяют все выступающие над ней металлические предметы, например дефлекторы.

Во всех случаях применяют молниеприемники и токоотводы диаметром от 6 мм, а в качестве заземлителя — один вертикальный или горизонтальный электрод длиной 2–3 м, диаметром от 10 мм, уложенный на глубине не менее 0,5 м. Допускают сварные и болтовые соединения элементов молниеотводов.

Зона защиты молниеотвода — пространство, внутри которого здание или сооружение защищено от прямых ударов молнии с определенной надежностью. Наименьшей надежностью обладает поверхность зоны защиты; в глубине она выше. Зона защиты типа «А» (в узком конусе) обладает надежностью от 99,5%, а типа «Б» (в широком конусе) — от 95% и выше.

Довольно часто можно слышать мнение, что металлическая кровля (например, металлочерепица) позволяет не заботиться о молниезащите. Очень опасное заблуждение! Поддерживают его в основном сами продавцы металлочерепицы. Металлическая кровля может выступать в качестве молниеприемника, но любой молниеприемник нужно заземлять, а значит, делать токоотводы (причем обязательно два, по противоположным углам здания) и заземление. Впрочем, от «серьезной» молнии такая защита не спасет, поскольку расчетная толщина листов крыши должна быть не менее 4 мм (а кто такую применяет?). Листы меньшей толщины молния просто прожигает. Если на крыше есть выступающие элементы (например, металлические дымовые трубы), на них монтируются молниеприемники, выступающие над верхним краем на 0,2 м и надежно присоединенные к металлу крыши. Еще раз напоминаем вам: здания с металлической кровлей обязательно нужно оборудовать системой молниезащиты.

Что касается крыши именно из металлочерепицы, то здесь многое зависит от способа ее крепления к стропилам. Если стыкуемые листы имеют между собой электрическую связь, такая крыша в принципе может служить молниеприемником (если не учитывать ее толщины, которая явно меньше 4 мм). Гораздо надежнее все же оборудовать такую крышу обычным стержневым или тросовым молниеприемником и заземлять ее как обычную металлическую кровлю.

Помимо «механических» молниеприемников существуют «физические». Возможность искусственно создавать столб ионизированного воздуха давно подсказала использование встречного лидера молнии в качестве своеобразного молниеприемника. Первые устройства для ионизации были основаны на применении радиоактивного изотопа. При подаче напряжения к такому устройству появлялся столб ионизированного воздуха, на который и замыкался лидер от грозовой тучи. Позже эти устройства трансформировались в безопасные молниеприемники, работающие уже не от радиоактивных изотопов, а с помощью электроники. Устройства оказались достаточно эффективными, есть опыт их применения в Москве. К несомненным достоинствам таких молниеприемников можно отнести прекрасную возможность сохранить архитектурный облик строения, не искажая его видимыми дополнениями.

Многие из нас наблюдали, как часто молнии разряжаются вблизи различных высоких объектов, не всегда попадая именно в них. Но немногие обращают внимание на то, что вблизи высоких объектов молнии наблюдаются несколько чаще, чем в других местах. Эта закономерность объясняется тем, что «встречный лидер» с высоких объектов как бы притягивает к себе лидеров из облака не только строго над своей вершиной, но и с периферийных частей тучи. Эти удаленные лидеры иногда «не в силах» замкнуться на встречный лидер от высокого объекта и в итоге все равно замыкаются на землю, но уже на встречные лидеры с других, менее высоких объектов.

Получается, что любая мачта (например, сотовой связи) объективно притягивает в зону своего расположения большее число молний. Этот факт заставляет серьезно задумываться о безопасности проживания вблизи таких объектов. И уж о чем просто необходимо думать, имея подобного «соседа», так это о гарантированной молниезащите своего дома.

Теперь самое время указать на ошибки отечественного ПУЭ. Европа раньше нас начала строить «общество потребления» и раньше озаботилась проблемой защиты имущества от вторичных поражающих факторов молнии. В последней редакции ПУЭ в соответствии с нормами МЭК изменен порядок заземления самого молниеотвода и всех электроустановок, находящихся в доме (раньше у молниеотвода было свое заземление, а у внутренней сети потребителей — свое). Сегодня предписывается объединять заземление молниеотвода и сети, но сохраняя и автономное заземление молниеотвода. В «нашем» ПЭУ об автономном заземлении молниеотвода как-то забыли. Иными словами, если от первичных поражающих факторов молниеотвод, сделанный в соответствии с инструкцией, защищает, то от вторичных может и не уберечь.

Прямой удар молнии — непосредственный контакт проводящего канала молнии со зданием или сооружением, сопровождающийся прохождением через него тока молнии.

Вторичное проявление молнии — наведение потенциалов на металлических элементах конструкции, оборудования, в незамкнутых металлических контурах, вызванное близкими разрядами молнии и создающее опасность искрения внутри защищаемого объекта.

Здесь необходимо обратиться к первопричине возникновения такой ситуации. Все здания и сооружения защищаются от молнии по-разному. Эта разница зависит от их назначения. Объекты делятся с точки зрения молниезащиты на три категории. Первые две категории имеют максимально возможную степень защищенности (в том числе и от вторичных поражающих факторов молнии). Это объекты, в которых хранятся или перерабатываются взрывчатые вещества (в открытом или закупоренном виде). Все остальное (и наши дома тоже) относится к третьей категории. И по ныне действующим нормам, для зданий, оборудуемых по третьей категории, собственно защита от вторичных проявлений молнии не предусмотрена (речь идет об электромагнитной и электростатической индукции).

ЗАЗЕМЛЕНИЕ

В любом случае — как для «внешней», так и для «внутренней» молниезащиты — очень важна роль заземления. И об этом стоит поговорить подробнее. Вернемся к нашей инструкции. Она настоятельно рекомендует заземлять молниеотводы на арматуру фундамента дома или, если это невозможно, заглублять в землю штыри-электроды (кстати, заземлять на арматуру фундамента тоже можно не всегда, здесь есть свои ограничения: если фундамент гидроизолируется составами на эпоксидной основе или если влажность грунта меньше 3%). Электроды должны заглубляться так, чтобы достигать влажных слоев почвы. Но не везде и это возможно, особенно на скальных грунтах. Удельное сопротивление самой почвы тоже разное: скальные грунты имеют значение удельного сопротивления до 3000 Ом, а смешанный грунт — 150–200 Ом. Поэтому не все так просто с заземлением. В идеале его надо выполнять на основании измерений удельного сопротивления грунта, на котором стоит дом, и соответствующих расчетов для определения количества и поперечного сечения электродов, глубины их залегания в грунт. При большом удельном сопротивлении грунтов очень хорошо присоединять к заземляющему устройству проходящие поблизости водопроводные трубы, обсадные трубы артезианских колодцев или свинцовые оболочки кабелей.

Что касается скальных грунтов с их высоким удельным сопротивлением, то в них чисто практически почти невозможно сделать заземление. В этом случае специалисты предлагают большее внимание уделить именно системе выравнивания потенциалов. В итоге гораздо безопаснее во всей сети получить высокий потенциал, но без перепадов (выровненный), который уже не вызовет искрения и других неприятностей.

Удельное сопротивление становится важным при определении допустимых и безопасных расстояний между молниеотводом и защищаемым объектом. Речь идет о так называемом шаговом напряжении, которое в непосредственной близи с заземляющими электродами может быть очень значительным и опасным для жизни. Во время грозы не рекомендуется находиться ближе пяти метров от заземлителя молниеотвода, чтобы не попасть под действие шагового напряжения и напряжения прикосновения.

Многолетняя практика устройства молниезащиты сформировала усредненные требования к величинам сечений элементов молниезащиты. Например, поперечное сечение заземляющих электродов должно быть не меньше 50 мм2, при этом толщина полос, стенок труб или профильной стали должна быть не менее 4 мм. Защита от коррозии обеспечивается применением оцинкованной стали или меди. Покраска или покрытие заземляющих электродов битумом не допускается. Требования к величине заглубления электродов тоже обоснованны — в летнее время верхний слой земли часто пересыхает, что увеличивает сопротивление заземлителя.

Расчет сопротивления заземления важен хотя бы потому, что напряжение «пробоя» (короткого замыкания) начинается от величины в 300–500 кВ/м. Сила тока, протекающего по молниеотводу, в своем максимуме может достигать 200 000 А. Сопротивление же заземления нашего молниеотвода не должно превышать 10 Ом. В итоге напряжение, возникающее в молниеотводе, может достигнуть значительно большей величины, чем напряжение пробоя. При этом, в случае не совсем правильного заземления (такого, при котором ток как бы не успевает уходить в землю) или при опасном сближении самого молниеотвода с защищаемым объектом, произойдет пробой — ток будет «стараться» замкнуться на внутренние коммуникации дома (на электропроводку, трубы отопления и т. п.).

Этот пример помогает понять, что все, конечно, можно делать по каким-то давно рассчитанным значениям толщин стержней, полос и т. п., но безопаснее осуществлять расчеты для данного конкретного случая и доверять профессионалам.

Скажем, в НПФ «Электротехника: наука и практика», выросшей из «недр» Лаборатории молниезащиты МЭИ, такие расчеты делаются с применением специально разработанной компьютерной программы, которая учитывает все необходимые факторы — от интенсивности грозовой активности в заданном регионе и габаритных размеров объекта защиты до значения удельного сопротивления грунта и размеров применяемых элементов заземлителя.

Из всего вышесказанного можно сделать следующий вывод: устройство молниезащиты надо начинать с замеров и расчетов.

ВНУТРЕННЯЯ МОЛНИЕЗАЩИТА

По нормам последней редакции ПУЭ, на объектах, к которым подходят воздушные линии электропередач, в обязательном порядке предписывается устанавливать как первую линию защиты — разрядники, так и вторую — ограничители напряжений. Это важно для гарантированной защиты электроники, находящейся внутри здания. Раньше полагались только на соединение крюков изоляторов, к которым подходят провода воздушных линий, с токоотводом.

Если ваш дом насыщен электроникой, так называемой «внутренней грозозащите» следует уделять особое внимание. Для рядового домовладельца эта область электротехники весьма непроста, самостоятельно разобраться в особенностях различных устройств (а это именно ограничители напряжений и разрядники) сложно. Достаточно сказать, что ограничители напряжений по своему действию делятся на четыре группы, каждая из которых отвечает за свою ступень защиты (A, B, C и D). И эта защита начинается от опоры воздушной линии электропередачи и заканчивается на распределительном щите вашего дома. Ситуация усугубляется и тем, что нормативная база в этой области имеет свои недоработки — либо содержит устаревшие требования, либо рассматривает современные требования частично.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Стоимость системы молниезащиты в масштабах стоимости дома и имущества ничтожна. Тем более она ничтожна, если ее спроектировали на стадии проекта дома и изготовили на стадии строительства. Да и 7% сгоревших от удара молнии домов тоже аргумент. Задумаемся? Работы по молниезащите лучше начинать на стадии создания проекта. В этом случае архитектор и специалист по молниезащите смогут выдать на-гора уже сбалансированный проект, в который, как говорится, «все включено» — и архитектура дома сохранена, и молниеприемник органично в нее вписан, и все расчетные значения толщин, высот и площадей элементов молниезащиты зафиксированы в техдокументациии. Если по какой-либо причине все еще только предстоит, не ждите первых гроз в начале мая, ваш дом дорого стоит!