Требования к молниеотводам

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.

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 активные системы молниезащиты. 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 h0 = 0,85h; r0 = (1,1 – 0,002h)h; rx = (1,1 – 0,002h)(h – hx/0,85);
  • для зоны на уровне крыши, например: h0 = 0,92h; r0 = 1,5h; rx = h – 1,5(hx/0,92);

где h – высота молниеотвода; h0 – некоторая высота (обычно уровень крыши); rx – диаметр основания конуса на высоте h0.

Определившись с условными габаритами, можно использовать формулу:

для вычисления требуемых параметров. Если, например, известны rx и hx (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 hx легко вычисляется радиус зоны rx 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:

    при h < 120 м h = hоп – 2;
  • при h < 150 м h = hоп – 3;

где hоп – высота опоры.

Тогда для зоны на уровне земли принимаются габариты:

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

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

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.

Необходимость обустройства качественных систем молниезащиты жилых и промышленных зданий особенно остро возникла в начале прошлого столетия во времена всеобщей индустриализации и электрификации, актуальна она и в настоящее время. Сегодня ежедневно на планете Земля наблюдается около 44-45 тысяч гроз, которые могут привести к выходу электроприборов из строя, повреждению целостности зданий и построек, пожарам и гибели людей.

Для создания работоспособных, эффективных и оптимальных для каждого объекта систем разработаны общепризнанные нормативы проектирования и организации молниезащиты. Существуют международные и отечественные стандарты и правила. Кроме того, в России различают отраслевые и корпоративные стандарты (например, Газпрома, МОЭК и т.п.). В основу всех норм, регламентирующих проектирование молниезащиты, положен многолетний опыт человечества по организации электробезопасности жилых домов и промышленных предприятий, а также особенности современных построек.

Российские нормативы в области молниезащиты

Создание отечественной нормативной базы по проектированию комплекса мер для обеспечения молниезащиты берет начало в 30-х годах минувшего века. Первоначально были разработаны требования и правила для производственных зданий и сооружений, а также линий электропередач. В 50-х годах прошлого столетия эти требования начали использоваться для частных домов. Позже с учетом многолетних наблюдений и исследований электромагнитной обстановки во время удара молнии на территории бывших союзных республик Министерство энергетики СССР ввело Инструкцию по обустройству молниезащиты зданий и сооружений РД 34.21.122-87. Эта инструкция, как наследие, действует до сих пор. Однако она давно устарела, поэтому для создания современных систем громоотводов пользуются международными стандартами, установленными Международной электротехнической комиссией (МЭК) и российскими инструкциями более поздних редакций.

Российские нормативы по молниезащите (инструкции и ГОСТы)

В России специалисты и сейчас для создания ряда мер молниезащиты ориентируются на требования и нормы, изложенные в советской инструкции РД 34.21.122-87 (скачать в pdf>>). Данный норматив является первичным документом, на который опираются профессионалы при выборе схемы конструкции громоотводов на этапе проектирования зданий и сооружений. Она дает толкование всех важных терминов и понятий, описывает требования к органзации защиты от молний и к конструкциям громоотводов, а также расчет молниеотводов. Именно она классифицирует здания и позволяет определить необходимый уровень защиты. К недостатком РД 34.21.122-87относят отсутствие описаний нормативов по организации молниезащиты для склада взрывчатых веществ и пороха, а также в ней нет рекомендаций по выбору материалов для заземлений и т.д. Дополнить и обновить положения советского документа попытались в «Инструкции по устройству молниезащиты зданий, сооружений и промышленных коммуникаций» СО-153-34.21.122-2003 (скачать в pdf>>). Она включает нормы грозозащиты в коммуникациях.

Седьмая редакция ПУЭ (Правила устройства электроустановок 7-е издание, Главы 2.4, 2.5, 4.2) разработана с учетом всех видов и типов электрического оснащения и агрегатов. В этом издании собраны все базовые требования электробезопасности и заземления, используемые при обустройстве защиты от удара молнией промышленных и бытовых объектов. Подвести российские стандарты к мировым требованиям IEC в декабре 2011 года позволили первая и вторая часть ГОСТа Р МЭК 62305-1-2010 «Защита от молнии», а также ГОСТ Р 50571-4-44-2011 «2011 Электроустановки низковольтные. Требования по обеспечению безопасности. Защита от скачков напряжения и электромагнитных помех» (действует с 01.07.2012). Этот документ регламентирует основные нормы по организации безопасности низковольтных установок при появлении отклонений напряжения и электромагнитных помех. Этот стандарт не действует на системы распределения электричества населению, на промышленные объекты и на системы для генерирования и выдачи электроэнергии для них.

Требования к механизмам защиты электрических сетей и электрооборудования при прямом или косвенном влиянии грозовых или иных переходных перегрузок для коммутации к силовым цепям переменного тока (частотой 50 — 60 Гц), постоянного тока и к оснащению с номинальным напряжением до 1000 В (действующее значение) или 1500 В постоянного тока подробно изложены в ГОСТе Р 51992-2011 (МЭК 61643-1-2005) «Устройства для защиты от импульсных перенапряжений в низковольтных силовых распределительных системах. Технические требования и методы испытаний» (с 01.07.2012).

Принципы подбора, монтирования и координации устройств грозозащиты от импульсных перенапряжений, предназначенных для подсоединения к силовым цепям переменного тока (частотой 50-60 Гц) или постоянного тока и к оборудованию на номинальное напряжение до 1000 В (действующее значение) переменного тока или 1500 В постоянного тока описаны в ГОСТ Р МЭК 61643-12-2011 «Устройства защиты от импульсных перенапряжений в низковольтных силовых распределительных системах. Принципы выбора и использования» (с 01.01.2013).

Все основные требования при прямом или косвенном воздействии грозовых или прочих переходных перенапряжений к устройствам для защиты телекоммуникационных и сигнализационных сетей с обозначенными напряжениями системы до 1000 В переменного тока и 1500 В постоянного тока регламентируются ГОСТом Р 54986-2012 (МЭК 61643-21: 2009) «Устройства защиты от импульсных перенапряжений низковольтные. Часть 21. УЗИП для систем телекоммуникации и сигнализации (информационных систем). Требования к работоспособности и методы испытаний» (с 01.07.2013).

Группа стандартов МЭК (IEC) и их связь

Стандарты по молниезащите IEC (МЭК) и связь между ними

Развитие науки и электротехники не стоит на месте. Наиболее полно, детально и качественно современные мероприятия по грозозащите отображены во всемирных нормативах МЭК «Защита от воздействия молнии МЭК 62305:2010».

Стандарт «Защита от воздействия молнии МЭК 62305:2010» определяет базовые правила защиты от порчи молнией любых построек, живущих в них животных и людей, разных инженерных коммуникаций и систем и иных конструкций относящихся к ним, кроме железнодорожной системы, автотранспорта, воздушных и водных транспортных средств, подземных трубопроводов повышенного давления и т.п.

Нормативы МЭК включают стандарт, определяющий общие положения и описывающий потенциально возможные последствия и опасность молний 62305-1. Потребность организации защиты определяется в соответствии с системой расчета риска и с учетом материального эффекта от установки мер защиты от ударов молнии описывает стандарт 62305-2. Третья часть МЭК 62305:2010 посвящена описанию мер безопасности, требуемых для снижения показателей аварий в постройках и сведения к минимуму уровня опасности для жизни и здоровья людей, находящихся внутри. В четвертой части данного стандарта описан комплекс мер для понижения числа отказов электросистем, приборов и устройств внутри зданий.

Взаимосвязь группы правил МЭК 62305:2010 определяется уровнем опасности поражения молнией объекта и риском возникновения возможных повреждений. При повышенном риске прямого попадания молнии и необходимости обустройства внешней защиты от прямых ее ударов в строения пользуются требованиями стандарта 62305-3:2010. При повышенной опасности поражения электрооборудования и порчи электросетей от вторичного воздействия молнии актуален стандарт 62305-4:2010.

Структура стандартов по молниезащзите МЭК 62305

Сравнение отечественных стандартов и МЭК

Современные специалисты, занимающиеся вопросами проектировки и создания молниезащиты современных построек любого назначения, отмечают, что требования МЭК гораздо строже в сравнении с инструкцией советских времен и даже более поздними российскими изданиями ГОСТов. Как правило, если российские Инструкции не дают полный объем необходимой информации для правильного и эффективного создания защиты от молний, профессионалы используют признанные в мире стандарты МЭК.

Наиболее ярким отличием, например инструкции РД 34.21.122-87 от норм IEC при создании внешней защиты является, отсутствие подробного описания организации молниеприемной сети для сложных рельефных крыш, а также отсутствие рекомендаций по рекомендуемым к использованию материалов для заземлений и т.д. При обустройстве внутренней системы защиты стандарты МЭК детально описывают применение разрядников без искровых промежутков для предотвращения пожаров, выхода из строя бытовой техники, промышленного оборудования и внутренних сетей.

Более подробно о сравнении стандартов IEC и DIN и отчественных нормативов читайте в статье «Анализ нормативно-технического обеспечения молниезащиты».

Интересные материалы по этой теме:

Нормативные требования к молниезащите

Еще раз коротко самое главное о стандартизации.

Состав системы молниезащиты по стандартам IEC (МЭК)

Кратко о том, что входит в состав комплекса мероприятий по защите от молний и гроз по мнению Международной электротехнической комиссии, а также взаимосвязанные решения в области внешней и внутренней молниезащиты.

Требования к элементам внешней молниезащиты

Какие испытания проходят элементы молниеприемные системы, соединительные компоненты, проводники, заземляющие электроды? Описание методик проверки, имитирующих воздействие естественных атмосферных условий и воздействие коррозии на компоненты.

Оставьте комментарий