Марка • Оборудование

ДЕН РУС
Заземление молниеотводов

Эдуард Базелян, д.т.н., профессор, руководитель лаборатории моделирования электрофизических процессов Энергетического института им. Г. М. Кржижановского

Открыть в формате PDF

Количество статей о заземлении молниеотводов трудно подсчитать. Заземляющее устройство – необходимый элемент каждого молниеотвода. Именно оно обеспечивает отвод в землю тока молнии.

Нормативные документы по молниезащите указывают, что процесс отвода тока молнии в землю должен быть безопасным. О какой безопасности идет речь? О безопасности людей и животных или о безопасности электронной аппаратуры на защищаемом объекте? На этот вопрос в действующих документах нет ответа. Не ясен и принцип нормирования сопротивления заземления, использованный составителями этих документов. Нормируется не сопротивление заземления, а минимально допустимая длина заземляющих шин (стандарт МЭК 62305) и даже полная конструкция заземлителя (инструкция РД 34.21.122-87).

Подобное нормирование неоднозначно. Например, из предписаний МЭК для регионов с различным удельным сопротивлением грунта следует, что для II уровня защиты допускается линейный рост сопротивления заземления молниеотвода по мере увеличения удельного сопротивления грунта ρ до 800 Ом·м, а в еще более высокоомных грунтах этот параметр должен почему-то снижаться, асимптотически приближаясь к величине около 65 Ом (рис. 1). Трудно дать какое-то физическое обоснование такой зависимости, тем более что ни в лаборатории, ни в полевых условиях не удалось обнаружить связь защитного действия молниеотвода с его сопротивлением заземления, по крайней мере, вплоть до 100 Ом. Последнее легко объяснить. Точка удара молнии определяется конкурирующим развитием встречных лидеров: от молниеотвода и от защищаемого объекта. В начальной фазе этого процесса ток встречного лидера не превышает 10 А, а потеря напряжения от этого тока на сопротивлении заземления молниеотвода – приблизительно 1000 В – величина несопоставимо малая по сравнению с тем перепадом напряжения в электрическом поле атмосферы, что питает встречные лидеры.

Рис. 1. Зависимость сопротивления заземления от удельного сопротивления грунта согласно стандарту МЭК 62305

ОЦЕНКА ОПАСНОСТИ ГРОЗОВОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ

Если для защитного действия молниеотвода величина его сопротивления почти не имеет значения, то при его выборе трудно опираться на что-то, кроме требования безопасности. Обсуждая безопасность человека и животных, приходится оперировать величинами напряжения шага и прикосновения. Оба эти параметра малопригодны для нормирования в молниезащите, поскольку опасность напряжения для живого организма в большой степени зависит от времени его воздействия. К сожалению, в отечественных нормативных документах оно не опускается ниже 0,01 с, что на 2 порядка больше длительности тока молнии, а значит, и напряжения, обусловленного его растеканием в земле. Попытка экстраполировать опасные значения на более кратковременные воздействия исходя из неизменности выделившейся энергии – это первое, что представляется сколько-нибудь логичным. Тогда вместо предельно допустимого значения 600 В для воздействия в течение 0,01 с нужно ориентироваться на величину в 6000 В для 100 мкс (0,0001 с). Такой пересчет не обоснован данными физиологических исследований, но и альтернативы ему пока тоже нет.

Рассмотрим типичные ситуации, связанные с растеканием тока молнии, чтобы оценить хотя бы на качественном уровне, как часто грозовые воздействия создают напряжение шага, опасное для человека. Начнем с типовых заземляющих устройств, упомянутых в РД 34.21.122-87 и в МЭК 62305. Расчеты (рис. 2) выполнены для горизонтальной шины длиной 10 м, которая предписана стандартом МЭК для грунтов с ρ до 500 Ом·м (при I уровне защиты), и для конструкции с тремя вертикальными стержнями длиной от 3 м, которая предусмотрена в РД 34.21.122-87 для любых отдельностоящих молниеотводов.

Рис. 2. Напряжение шага при растекании тока молнии через заземлители типовых конструкций

Расчетные значения напряжения шага на графике нормированы произведением ρI_М и потому пригодны для оценки в любой линейной среде при произвольном токе молнии I_M. Картина не слишком оптимистичная. Даже при удалении от молниеотвода на 10 м нормированное расчетное значение превышает по абсолютной величине 0,0015 м^–1. Это значит, что при токе молнии 100 кА (III уровень защиты) напряжение шага превысит 15 кВ в грунте с ρ = 100 Ом·м и 150 кВ при ρ = 1000 Ом·м. Заметим, что на практике встречаются и более высокоомные среды. Таким образом, окрестность любого отдельностоящего молниеотвода с заземлителем, соответствующим действующим нормативам, опасна для населения и персонала защищаемого сооружения.

Теперь поговорим о молниеотводах, устанавливаемых на здании. Как правило, роль их заземлителя выполняет фундамент здания. Пусть будет здание с основанием 50×50 м, свайный фундамент которого заглублен на 10 м (такое исполнение характерно для высотных зданий). Расчеты (рис. 3) показывают, что распределение электрического поля на земле в окрестности здания более равномерное, чем у основания отдельностоящего молниеотвода, но и здесь U_шаг рядом с фундаментом может превысить 30 кВ, если на этом участке ρ грунта > 1000 Ом·м. Печальный опыт сотрудников высоковольтных лабораторий показывает, что микросекундное воздействие такого напряжения надолго остается в памяти. Без спецзащиты его трудно считать безопасным для человека. Как минимум, тротуар у стен здания следует покрывать сплошным слоем изоляционного материала (например, асфальта), но не плитками, зазоры между которыми заполнены грунтом и пропитаны влагой во время дождя.

Рис. 3. Напряжение шага при использовании молниеотводов, установленных непосредственно на здании

ИЗОЛИРОВАННАЯ СИСТЕМА МОЛНИЕЗАЩИТЫ

Надо отметить, что отдельностоящие молниеотводы наиболее опасны при их установке на различных высоких мачтах и колоннах в городах, например на обелисках, у которых возможно скопление людей. В этом случае заслуживает внимания система молниезащиты на базе токоотводов с высокопрочной изоляцией, подобных тем, что разработала и производит фирма DEHN + SÖHNE. Такая система позволяет отвести ток молнии в глубинный заземлитель, не загружая им арматуру железобетонного фундамента сооружения. В итоге распределение потенциалов по поверхности грунта будет более равномерным.

Расчеты (рис. 4) позволяют оценить эффект от использования бетонного основания 30×30 м с вмонтированной в него металлической сеткой с ячейками 5×5 м; стержневой заземлитель длиной 5 м размещен на глубине 30 м. Практически линейный закон изменения потенциала указывает на неизменность напряжения шага в окрестности защищаемого объекта. Величина U / (ρI_M) ≈ 6 · 10^–5 м^–1 означает: U_шаг при токе молнии 100 кА и грунте с ρ = 1000 Ом·м будет находиться в пределах 6 кВ, что почти на порядок меньше, чем при использовании традиционного решения.

Рис. 4. Напряжение шага при использовании изолированной системы молниезащиты

Изолированная система молниезащиты может быть выполнена на токоотводах HVI^® (фото 1) с высоковольтной изоляцией и полупроводниковым покрытием, выравнивающим электрическое поле вдоль наружной поверхности токоотвода и предотвращающим развитие скользящих разрядов. Выпускаются токоотводы HVI^® трех типов в соответствии с электрической прочностью их изоляции для применения в системах молниезащиты различного уровня. Возможно изготовление токоотводов с дополнительным покрытием, защищающим от воздействия погодных факторов и УФ-излучения. Они могут быть окрашены в цвет здания.

Фото 1. Изолированные токоотводы серии HVI^® фирмы DEHN + SÖHNE

HVI-light. Токоотвод HVI черный с многожильным твердым проводником. HVI-power. Токоотвод HVI черный с одножильным твердым проводником. Токоотвод HVI серый с одножильным твердым проводником.

Более высокая стоимость изолированных систем молниезащиты по сравнению с традиционными не должна препятствовать их использованию, когда речь идет о безопасности людей, особенно в местах их большого скопления. Дело за уточнением действующих нормативных требований к молниезащите.

ООО «ДЕН РУС»
109428, г. Москва, Рязанский пр-т, д. 10, стр. 18, офис 29
Тел./факс: +7 (495) 663-35-73, 782-23-76
info@dehn-ru.com
www.dehn-ru.com
молниезащита.рф