МОЛНИЕЗАЩИТА КОТТЕДЖА

Эдуард Базелян, д.т.н., профессор, зав. лабораторией молниезащиты ЭНИН им. Г.М. Кржижановского, г. Москва

Изучение молнии – традиционное направление исследований отечественных специалистов в области физики длинной искры. Их экспериментальные и теоретические разработки второй половины ХХ века широко использовались в практической молниезащите и при создании российских нормативных документов, в том числе действующих в настоящее время «Инструкции по устройству молниезащиты зданий и сооружений» РД 34.21.122-87 и «Инструкции по устройству молниезащиты зданий, сооружений и промышленных коммуникаций» СО-153-34.21.122-2003.
В части требований к внешней молниезащите оба документа серьезно отличаются от стандарта МЭК 62305. Отличия в первую очередь касаются методики построения зон защиты молниеотводов и устройства их заземления. При этом номенклатура изделий, выпускаемых европейскими фирмами, в равной степени пригодна для выполнения требований как стандарта МЭК, так и российских нормативов. Покажем это на примере молниезащиты коттеджа, построенного из современных материалов. Все элементы молниезащиты будут почерпнуты из последнего каталога фирмы DEHN+SÕHNE.*

ХАРАКТЕРИСТИКА ЗАЩИЩАЕМОГО ОБЪЕКТА

Коттедж (фото 1) с габаритными размерами в плане 10 X 8  м имеет высоту 8 м. Здание установлено на ленточном железобетонном фундаменте, заглубленном в песчаный грунт на 1 м. Стены смонтированы из деревянного бруса с внутренним синтетическим утеплителем. Наружная поверхность стен отделана сайдингом.
Скаты крыши образуют угол 90°. Стропила и обрешетка крыши деревянные с синтетическим пленочным утеплителем. Кровля выполнена из полимерной плитки. На длинной части крыши размещена мансарда с окном, кровля которой выполнена из тех же материалов. На крышу выведены металлическая труба газового котла и пластиковая труба вентиляционной системы канализации. Телевизионный сигнал поступает от спутниковой антенны.
В здание введены металлические трубы, транспортирующие природный газ, а также водопроводная пластиковая труба. Телефонная пара проложена непосредственно в грунте и не экранирована. Ввод электроэнергии осуществлен от воздушной линии 380/220 В без кабельной вставки.
Ограда дома выполнена из стального профильного листа, имеет автоматизированные ворота для въезда автотранспорта. Ее предполагается оснастить простейшими средствами охраны периметра. На территории участка нет высоких деревьев, которые можно было бы использовать в качестве опоры естественных молниеотводов.

ОБЪЕМ МОЛНИЕЗАЩИТЫ

Инструкции РД 34.21.122-87 и СО-153-34.21.122-2003 не содержат специальных требований по молниезащите коттеджа. Проектировщик должен здесь руководствоваться пожеланиями заказчика и в определенной степени собственными представлениями, которые должны основываться на оценках частоты прямых ударов молнии в защищаемый объект и опасных воздействий ее электромагнитного поля. Ожидаемое число прямых ударов легко оценить по площади стягивания |S_att|. В случае уединенного объекта в равнинной местности, вне массива городской застройки, ее ограничивает кривая, отстоящая на 3 высоты объекта от внешней границы стен. Для здания с габаритными размерами l = 10 м, b = 8 м и h  = 8  м с некоторым запасом (без учета скруглений границы на углах) S_att (l + 6h)(b + 6h) = 0,0032  км², что при удельной плотности грозовых разрядов n_M  = 3 удара на км² в год (средняя цифра для европейской части России) дает N_M  = n_MS_att 0,01.
Таким образом, можно ожидать в среднем около 1 удара молнии в коттедж за каждые 100  лет эксплуатации. При столь ограниченной частоте прямых ударов разумно ограничиться внешней молниезащитой III уровня, которая должна обеспечивать надежность P = 0,9 и тем самым снизить частоту прямых ударов молнии в коттедж до 1  за 1000 лет эксплуатации. Дальнейшее повышение надежности внешней молниезащиты вряд ли целесообразно, поскольку опасность других стихийных воздействий окажется несопоставимо больше.

ВЫБОР МОЛНИЕОТВОДОВ

Устройство молниезащиты начинают обычно с молниеприемников. Их функцию хотелось бы поручить каким-либо конструктивным элементам коттеджа, например, металлической кровле. В нашем случае такое решение исключено, потому что крыша покрыта полимерными плитками. Можно было бы уложить на крыше молниезащитную сетку, но тогда активно будут работать только ее верхние проводники, размещенные ближе к коньку. Поэтому в данной ситуации обсуждать надо варианты со стержневыми или тросовыми молниеотводами, смонтированными над коньком кровли.
Привлекательная идея – ограничиться установкой двух стержневых молниеприемников по концам конька, на расстоянии 10 м друг от друга. В российских нормах учитывается «коллективный» эффект многократных молниеотводов, что заметно облегчает ситуацию. Воспользуемся правилами построения зон защиты из Инструкции СО-153-34.21.122-2003 (п. 3.3.2.3), приняв во внимание, что высота стержневого молниеотвода в отечественных нормах всегда отсчитывается от уровня земли, а минимальное превышение молниеотвода над объектом при надежности защиты 0,9 должно быть не меньше 15%. В рассматриваемых условиях молниеприемник должен возвышаться над коньком по крайней мере на 1,4 м. Легко убедиться, что двухскатная кровля целиком вписывается в  зону защиты двойного стержневого молниеотвода. Исключение составляет только кровля мансарды, на внешнем краю конька которой придется установить еще один стержневой молниеприемник такой же высоты.

Теперь о токоотводах. Их должно быть как минимум два от каждого молниеприемника, причем токоотводы должны прокладываться к земле по кратчайшему из возможных путей, что создает определенные трудности. Действительно, провести вертикально вниз по одному токоотводу достаточно просто. Правда, в этом случае все они проходят мимо окон либо в непосредственной близости от них. Столь же прямолинейных путей для еще одного токоотвода просто не существует. В этой ситуации можно сопоставлять сразу несколько альтернативных решений.
Достаточно привлекательным представляется соединение молниеприемников между собой шинами, уложенными по конькам крыши и  мансарды. Тогда ток от каждого молниеприемника будет растекаться по нескольким направлениям, как это показано на схеме (рис. 1). Что же касается участков токоотвода, которые проходят мимо окон, то их можно выполнить хорошо изолированным проводником. В каталоге DEHN+SÕHNE он фигурирует под номером 830208.
Если заказчик считает, что такой вариант не соответствует внешнему виду коттеджа, то можно пойти на укладку токоотводов по краям двухскатной крыши, где они будут менее заметны. То же придется сделать и на крыше мансарды. Токоотводы можно крепить либо поверх кровельной плитки, либо к внутренней стороне настила крыши, которая выходит за пределы стен дома.
Связь между молниеприемниками по конькам крыши и мансарды лучше сохранить и в этом случае. Тогда при ударе молнии в любой из молниеприемников ток будет растекаться по большему числу путей.
В качестве заземлителя молниезащиты в России стремятся использовать фундамент здания. Формально это решение можно принять и в нашем случае. Надо только обязательно проследить за надежным соединением арматурных стержней между собой при заливке фундамента (годится вязка стержней проволокой). Главное же, нужно предусмотреть закладные детали для присоединения по кратчайшему расстоянию токоотводов и всех подземных коммуникаций к арматурным стержням. Нельзя сказать, что это просто выполнить на нулевом этапе строительства.
Настораживает и песчаный грунт. Он не слишком хорошо держит влагу, а у фундамента наверняка проложат отмостку шириной около метра. В таких условиях летом фундамент вполне может оказаться сухим и его сопротивление заземления резко возрастет. Поэтому лучше не ограничиваться фундаментом, а проложить по его внешнему периметру сразу за отмосткой контур заземления из горизонтальных шин. Желательно включить в растекание тока молнии и фундамент, для чего его закладные детали надо соединить с контуром.

ДЕТАЛИ ДЛЯ СБОРКИ ВНЕШНЕЙ МОЛНИЕЗАЩИТЫ

Молниеприемники. В каталоге есть легкие алюминиевые стержневые молниеприемники длиной 1 и 2 м. Пригоден только последний, с уменьшающимся кверху диаметром 16/10 мм (№ 103220). Не следует его обрезать до расчетного размера 1,4 м, ведь излишняя высота только повысит надежность защиты.
Почти точно в расчетный размер укладывается молниеприемник № 483150 длиной 1,5 м из оцинкованной стали. Горячая оцинковка надежно защищает его от коррозии. В каталоге представлены молниеприемники, специально предназначенные для установки на коньке крыши. Их основание изогнуто под углом 90° и имеет резьбовую нарезку для крепления к хомуту, который легко подгоняется под диаметр конька из полимерного материала и надежно закрепляется на нем (фото 2). Там же можно увидеть зажимы, которые позволяют убедиться в удобстве крепления к молниеприемнику двух токоотводов. С этой целью использованы универсальные клеммы MV, которые изготавливаются из оцинкованной стали, меди или алюминия (фото 3). Последние (№ 390551) выбраны для нашего проекта с алюминиевыми токоотводами и молниеприемником.
Токоотводы. Токоотвод, проходящий по коньку крыши и связывающий между собой молниеприемники, удобно крепить при помощи держателей c пластиковым зажимом DEHNsnap, например № 204109. Они позволяют менять расстояние между проводником и полимерным материалом, например, обеспечить воздушный зазор в 100 мм, который требуется для горючих отделочных материалов согласно СО-153-34.21.122-2003.
Если вертикальные токоотводы прокладывают мимо окон и балконной двери коттеджа, где реальна опасность прикосновения к ним, то очень полезна вставка из хорошо изолированного CUI –проводника (фото 4). Для наших целей более всего подходит вставка № 830208 длиной 3,5 м. Полиэтиленовая изоляция проводника выдерживает импульсное напряжение до 100 кВ, хотя его внешний диаметр всего 20 мм. Большая высота размещения изолированной вставки над землей гарантирует защиту от случайного повреждения изоляции. Соединитель № 459029 из нержавеющей стали обеспечит хороший контакт между алюминиевым токоотводом и медной вставкой.
Нормативные документы запрещают опускать в грунт алюминиевые токоотводы из-за интенсивной коррозии. Каталог предлагает воспользоваться разъемной соединительной клеммой № 450001 (фото 5). Она не только обеспечит надежный контакт, но и позволит измерить сопротивление заземления. Что же касается самих токоотводов, то их можно нарезать в размер из алюминиевого проводника диаметром 8 мм DEHNalu-Draht № 840008.
Не исключено, что заказчик откажется от прокладки токоотводов мимо окон и решит разместить их с внутренней стороны двухскатной крыши, а затем опустить вниз по углам дома. Для такой работы существует достаточно большой выбор держателей из различных материалов с самым разным креплением. Они обеспечат качественный монтаж по металлу, дереву или пластику. Предусмотрены даже специальные кронштейны для крепления токоотвода к водосточной трубе (фото 6). Особо качественное крепление токоотводов требуется на высоте до 2–2,5 м от земли, где они доступны людям.
Заземление. Чтобы проложить горизонтальный контур заземления вокруг фундамента, годится плоская шина. В каталоге можно найти шины из нержавеющей стали, медные или стальные с горячим оцинкованием. Песчаный грунт, как правило, не слишком агрессивен, поэтому можно ограничиться оцинкованной шиной 30 - 3,5 мм² (№ 852335). Она прослужит достаточно долго. Пожалуйста, обратите внимание на предписания Инструкции РД 34.21.122-87, которая требует применения заземляющей шины толщиной не менее 4 мм и сечением 160 мм₂. В каталоге найдется и такая. Однако, по требованиям СО-153-34.21.122-2003 минимальное сечение стальной заземляющей шины принято равным 80 мм², а толщина плоской шины не лимитирована. Это и учтено в проекте.
Для оцинкованных шин сварка недопустима, поэтому фирма DEHN+SÕHNE предлагает набор соединителей, которые можно поместить в грунт: например, соединители № 320044 для плоских шин из оцинкованной стали и № 308129 для соединения шин контура с закладными деталями фундамента (фото 7).
Не исключено, что заказчика не удовлетворит сопротивление заземления контура. Чтобы его снизить, можно использовать вертикальные стержни. Их целесообразно разместить по углам контура и (или) в местах присоединения к нему токоотводов. В каталоге приведены стержни длиной 1,5 м (например, № 625150 из оцинкованной стали). Концы стержней позволяют их надевать один на другой, когда очередной из них уже забит в грунт. Так создается заземляющий вертикальный электрод нужной длины. Специальный соединитель № 620015 позволяет надежно связать стержень с горизонтальной шиной (фото 8).

Учтено практически всё. Последняя деталь: пожалуйста, не забудьте связать с контуром заземления металлические оболочки всех подземных коммуникаций, входящих в коттедж или выходящих из него. Это обеспечит защиту от заноса высокого потенциала.
Не исключено, что заземление какой-либо коммуникации запрещено по условиям работы электрохимической защиты от коррозии. В таком случае соединение с заземлителем нужно сделать через разрядник. Они также есть в каталоге DEHN+SÕHNE.

* Дополнительную техническую информацию, руководство по установке и монтажу молниезащиты, каталоги и печатные материалы по продукции DEHN+SÕHNE можно получить в представительстве компании в России.