ДЕН+ЗЁНЕ:
НЕ ЭКОНОМЬТЕ НА ТОКООТВОДАХ!

Открыть в формате PDF

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

О том, как заземлять молниеприемники, рассказывается в любом нормативном документе по молниезащите. Ток молнии отводится в землю как минимум по двум токоотводам из стали или цветного металла. Требуемое сечение стали (50  мм²) позволяет использовать в качестве токоотводов практически любые арматурные стержни или плоские шины. Это просто и дешево.

Тем не менее солидные фирмы, специализирующиеся на производстве средств молниезащиты, предлагают более сложные и существенно более дорогие проводники для устройства токоотводов. Так, в каталоге фирмы DEHN + SÖHNE представлены медные токоотводы с изоляцией на 100 кВ и даже изолированные токоотводы со специальным полупроводящим покрытием, которые обладают повышенной стойкостью в отношении развития скользящего разряда по поверхности и защищают людей от поражения высоким импульсным напряжением при растекании тока молнии, ударившей в здание. Попробуем разобраться, стоит ли тратить деньги на дорогие токоотводы.

РЕАЛЬНА ЛИ ОПАСНОСТЬ?

Магнитное поле тока молнии I_M возбуждает электродвижущую силу (ЭДС) в любом проводящем контуре. Ее величина пропорциональна скорости изменения магнитного потока, который этот контур пронизывает. Все это известно еще из школьного курса физики. Непосредственно у токоотвода радиусом r₀ ЭДС магнитной индукции определяется по формуле:

,

где μ₀ = 4π×10^–7 Гн/м – магнитная проницаемость вакуума, а l и D – длина и ширина контура, в котором наводится ЭДС.

Когда человек приближается к токоотводу, его тело и вытянутая рука становятся сторонами такого контура. Исходя из того, что длина тела до плеча –  не более 2 м, а длина вытянутой руки – 1 м, максимальное значение ЭДС магнитной индукции можно выразить через расчетную скорость роста тока молнии A_I как U_max ≈ 1,84A_I [кВ], если A_I измеряется в кА/мкс. Отметим, что в российском нормативе по молниезащите СО153-34.21.122-2003 даже для наименее ответственных сооружений предписано ориентироваться на значение A_I = 100 кА/мкс. В случае двух токоотводов ток молнии разделится пополам, поэтому в формулу надо ввести 50 кА/мкс, что даст оценку напряжения примерно в 90 кВ.

Много это или мало? Вопрос может показаться нелепым, если вспомнить многочисленные случаи тяжелого поражения людей и животных напряжением всего 380 и даже 220 В. Однако вопрос все-таки правомерен, потому что действие ЭДС магнитной индукции очень кратковременное. Оно сопоставимо со временем фронта импульса тока в последующих компонентах молнии, приравненного в уже упомянутом нормативе к 0,25 мкс.

Графическое изображение импульса на рис. 1 построено по результатам точного компьютерного расчета тока, который протечет через тело человека, прикоснувшегося к токоотводу в неблагоприятных условиях (дождь, мокрая одежда и обувь). В этом случае сопротивление человека равно 1000 Ом, как это обычно принимают в расчетах по технике безопасности. Ток амплитудой около 500 А, безусловно, впечатляет, хотя время его воздействия лежит в пределах 0,2 мкс. Чтобы оценить последствия более обоснованно, в компьютерном расчете, помимо тока, определялась еще энергия, которая выделилась в теле пострадавшего. Она оказалась близкой к 27 Дж.

Рис. 1. Ток, протекающий через тело человека, и выделившаяся энергия при прикосновении к токоотводу

Несомненно, большинству из нас приходилось испытывать последствия электрического разряда емкости собственного тела после прогулки в синтетической обуви по синтетическому покрытию пола плохого качества. В сухую морозную погоду набирается около 50 кВ. Прикосновение к водопроводному крану оказывается вполне запоминающимся. Энергию, воздействующую при прикосновении, легко оценить: емкость человека не превышает C = 50 пкФ, а энергия, накопленная ею, W = CU² / 2 = 0,0625 Дж, что примерно в 400 раз меньше, чем от ЭДС тока молнии.

Понятно, что контакт с токоотводом ни к чему хорошему не ведет, поэтому затраты на изолированный токоотвод не кажутся напрасными.

ВЫБОР ИЗОЛИРОВАННЫХ ТОКООТВОДОВ

В каталоге DEHN + SÖHNE предлагается несколько типов изолированных токоотводов различного назначения. Для случая, который здесь рассматривался, хорошо подходит CUI-проводник с изоляцией из специального сетчатого полиэтилена (рис. 2).

Рис. 2. Изолированный токоотвод CUI

Изоляция толщиной 6 мм выдерживает не менее 100 кВ при испытаниях так называемым стандартным грозовым импульсом 1,2/50 мкс (цифры означают время подъема напряжения до максимума и последующего снижения до половины амплитудного значения в микросекундах). В процессе испытаний время воздействия высокого напряжения многократно превосходит те реальные доли микросекунды, о которых говорилось выше. Значит, испытания гарантируют запас прочности, обеспечивающий высокую надежность эксплуатации проводника.

При этом важно, чтобы проводник был сплошным, без разрывов изоляции в местах соединения, поэтому, заказывая его, необходимо точно указывать нужную длину токоотвода.

Еще одна важная деталь. Тонкое изоляционное покрытие может провоцировать длинные скользящие искровые разряды вдоль своей поверхности. Их могут инициировать капли дождя, если они попадут на проводник. Для защиты от таких капель проводник снабжается специальным экраном.

Полную гарантию от скользящих разрядов дает полупроводящее покрытие. В изолированном токоотводе другого типа – проводнике HVI – оно как защитный чехол натягивается на основную полиэтиленовую изоляцию (рис. 3).

Рис. 3. Токоотвод HVI с высоковольтной изоляцией и полупроводящим покрытием

Механизм действия полупроводящего чехла подробно рассматривался в докладе на II Российской конференции по молниезащите, которая проходила в Москве в сентябре 2010 г. на базе ОАО «Энергетический институт им. Г.М. Кржижановского». Суть дела сводится к очень сильному выравниванию электрического поля вдоль наружной поверхности, при котором нигде не может начаться ионизация окружающего воздуха.

Устройство изолированных токоотводов, безусловно, дороже элементарных, поэтому никто и не рекомендует их использовать повсеместно. Но вряд ли стоит рисковать здоровьем людей там, где прикосновение к токоотводу весьма вероятно, – у входных дверей, балконов и лоджий, на смотровых площадках или у стен, где часто собираются посетители здания.

Не следует забывать и про защиту дорогостоящего оборудования. Вынужденное сокращение изоляционных расстояний до токоотводов может привести к его повреждению в результате искрового пробоя. А что уж говорить о последствиях контакта возникшей искры с зоной взрывоопасного газового выброса (например, на предприятиях хранения и переработки углеводородного топлива)! Здесь экономия на токоотводах может обернуться катастрофой, когда скупому придется платить уже далеко не дважды.

Техническую информацию, руководство по установке и монтажу молниезащиты, каталоги и печатные материалы по продукции DEHN+SÖHNE можно получить в представительстве компании в России.