ДЕН+ЗЁНЕ

Открыть в формате PDF

В помощь проектировщикам фирма Dehn+Söhne продолжает публиковать серию статей профессора Э.М. Базеляна по молниезащите.
Оценка опасности прямых ударов молнии, ее термического и механического воздействия, целесообразность молниезащиты, проблемы надежности молниеотводов, особенности защиты офисных зданий – эти темы уже были рассмотрены в материалах предложенного цикла. Все статьи – в свободном доступе на сайте www.news.elteh.ru.

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

ПРАКТИКА МОЛНИЕЗАЩИТЫ
Напряжения прикосновения и шага при ударе молнии

Напряжения прикосновения и шаговое напряжение – опасные параметры, которые не без оснований упоминаются в практических руководствах по молниезащите любой страны. Действительно, прямой удар молнии в человека – явление исключительно редкое. Одиночный человек на открытой местности в средней полосе России будет поражен молнией не чаще, чем 1 раз за 3000 лет, а многочисленные случаи гибели группы людей на футбольном поле, пляже или у автобусной остановки – результат действия шаговых напряжений. Их природа хорошо известна и связана с растеканием в земле тока молнии.

Шаговое напряжение

Нельзя сказать, что грунт – очень хороший проводник. Его удельное сопротивление примерно в 1 000 000 000 раз выше удельного сопротивления стали. Когда ток молнии растекается в грунте, там в полном соответствии с законом Ома создается высокое напряжение. Наибольшим потенциалом обладает место ввода тока молнии. По мере удаления от него потенциал падает, но далеко не так быстро, как хотелось бы.

Диаграмма (рис. 1) демонстрирует, как это происходит в рядовом подмосковном суглинке с удельным сопротивлением 100 Ом·м при ударе молнии с током 100 кА. Даже на расстоянии 20 м от места удара потенциал поднялся до 100 кВ. Человек, который там находится, касается ногами земли в точках с разными потенциалами. В результате на длине шага возникает напряжение U_шаг, равное разности потенциалов между точками касания. Через тело протекает ток, который может быть опасным для жизни.

Рис.1. Растекание тока молнии в грунте (ρ = 100 Ом·м)

График зависимости величины шагового напряжения от расстояния до точки удара молнии (рис. 2) показывает, что значение Uшаг снижается не слишком сильно. Во всяком случае молния все еще опасна на расстоянии 20–30 м, где Uшаг измеряется десятками киловольт. Теперь становится понятным массовое поражение игроков на футбольном поле или пассажиров на автобусной остановке.

Рис. 2. Зависимость U_шаг от расстояния до точки удара молнии

Напряжение прикосновения

К опасному воздействию высокого напряжения может привести любой контакт человека с точками разного потенциала. Например, можно стоять на земле и прикоснуться к какой-либо металлоконструкции здания, когда в него ударила молния. Чаще всего речь идет о токоотводе, который отводит к заземляющему устройству ток молнии. Здесь к разности потенциалов в грунте добавляется еще ЭДС магнитной индукции, наводящаяся в контуре из токоотвода, тела человека, его руки и поверхности земли. Величина этой ЭДС прямо пропорциональна площади контура (обычно s ~ 1 м²) и скорости роста тока молнии в токоотводе.

По существующим нормам приходится ориентироваться на максимальную скорость A_I = 2 · 10⁹ А/с и учитывать, что токоотводов должно быть как минимум два, а потому в каждом течет только половина тока. Для оценки в случае двух токоотводов пригодна формула:

,

где l_р – расстояние от человека до токоотвода (фактически – длина прикоснувшейся к нему руки), r_т – радиус токоотвода.

Если, например, l_р = 0,7 м, а r_т = 0,01 м, вычисления дают 130 000 В = 130 кВ. Хотя время действия такого напряжения вряд ли превысит микросекунду, сотня киловольт представляется вполне значимой величиной, к которой нужно отнестись с должным уважением.

Формула позволяет провести оценку и при большем числе токоотводов. Для этого их фактическое число надо подставить в знаменатель формулы вместо двойки. Сразу видно, что увеличение числа токоотводов – эффективное средство снижения напряжения прикосновения. Этим широко пользуются проектировщики.

Проектировщики также стараются разместить токоотводы в труднодоступных местах, что на практике далеко не всегда удается. В этом случае безопаснее применять изолированные токоотводы. Например, фирма Dehn+Söhne предлагает токоотводы с изоляцией на 100 кВ при импульсе 1,2/50 мкс. Такой токоотвод в каталоге компании называется CUI-проводник и представлен в двух исполнениях – длиной 3,5 и 5 метров (артикулы 830208 и 830218 соответственно).

CUI-проводник (фото 1) представляет собой медный проводник сечением 50 мм², покрытый изоляцией из сетчатого полиэтилена (PEX) толщиной примерно 6 мм. Сверху дополнительно нанесен тонкий слой полиэтилена (PE) для защиты от воздействия окружающей среды.

Фото 1. CUI-проводник фирмы Dehn+Söhne

CUI-проводник подключается при помощи клеммы к спускающемуся токоотводу и вертикально по кратчайшему расстоянию соединяется с системой заземления (фото 2).

Фото 2. Установка CUI-проводника

Положив руку на изолированный токоотвод, человек мало чем рискует непосредственно. Полимерная изоляция надежно защищает его от контакта с внутренним металлическим проводником. ЭДС магнитной индукции не в состоянии ее пробить.

Тем не менее опасность существует. Ее создает скользящий разряд по наружной поверхности изоляции. Он не требует большого напряжения для своего развития и может протянуться на метры от точки подключения к неизолированному токоотводу до кисти руки человека, коснувшейся изоляции. Особенно сильно этот эффект проявляется при дожде, когда вся поверхность изоляции мокрая. Специальный дополнительный экран в  верхней части изолированного токоотвода эффективно устраняет такую возможность, обеспечивая сухую зону (фото 3). Это подтверждено испытаниями при воздействии капель дождя в соответствии с МЭК 60060-1 (фото 4).

Фото 3. Дополнительный экран токоотвода

Фото 4. Испытания токоотвода

Нормы и решения

Жаль, что поверхность земли нельзя покрыть столь же прочной изоляционной пленкой, как и токоотвод. Тогда проблема шаговых напряжений была бы решена кардинально.

Отечественный норматив СО-153-34.21.122-2003 рекомендует прокладывать заземлитель по внешнему периметру здания на глубине около 0,5 м. Компьютерный расчет позволяет проследить, как меняется величина шагового напряжения по мере удаления от дома с размерами в плане, скажем, 30 на 30 метров. Удельное сопротивление грунта принято равным 500 Ом·м (песок); расчетный ток 100 кА соответствует III уровню молниезащиты.

В этом случае непосредственно у стены человек рискует попасть под напряжение почти 70 кВ. Дальше от дома напряжение меньше, но даже на расстоянии 20 м оно все еще превышает 5 кВ.

Действующий норматив РД 34.21.122-87 для защиты от шаговых напряжений рекомендует укладывать асфальтовое покрытие в местах частого нахождения людей. Толстый слой асфальта выполнит ту же роль, что и изоляция токоотвода. Такое решение возможно у общественных зданий, но вряд ли найдется хозяин, готовый устроить асфальтовую пустыню у своего коттеджа.

Не согласится он и на превращение практически всего приусадебного участка в контур заземления. Контур придется монтировать на глубине до 1 м, прокладывая горизонтальные металлические полосы с шагом до 2 м. Только тогда для рассматриваемого случая с контуром 30×30 м² шаговое напряжение упадет до 1,5 кВ, причем только в его центральной части. Ситуация на границе окажется значительно опаснее.

Здесь возникает закономерный вопрос о предельно допустимой величине напряжения. На него до сих пор нет четкого ответа.

Из самых общих соображений ясно, что опасность электротравмы при прочих равных условиях нарастает со временем действия напряжения. В руководстве по технике безопасности предельно допустимым считается 50 В при времени воздействия 1 с, 100 В при 0,5 с и 650 В при 0,01 с. Грозовое перенапряжение короче на 2 порядка величины, а потому допустимое значение напряжения должно быть еще выше. Но насколько? Медики и физиологи официально не предлагают конкретных значений, а без серьезных физиологических исследований электрики не в состоянии принимать обоснованные регламентные требования.

Проблема явно зашла в тупик и нуждается в неотложном решении, потому что конструкция заземляющих устройств в молниезащите должна обеспечивать не только допустимое значение сопротивления заземления при растекании токов молнии, но и безопасные напряжения прикосновения и шага. На практике это далеко не одно и то же и требует совершенно разных затрат металла на заземляющие электроды.

DEHN + SÖHNE
Представительство в России

109316, Москва, Волгоградский пр., 47, оф. 335. Тел./факс: (495) 663-35-73, 663-31-22
info@dehn-ru.com, www.dehn-ru.com