Молниезащита и заземление

Приятно вздремнуть за чтением любимой книги, укрывшись пледом и удобно расположившись у камина, особенно когда за окном бушует непогода: гремит гром и идёт проливной дождь. Однако неизменным спутниками бури являются молнии, которые при попадании в крышу могут стать причиной пожара. Для защиты своего жилища от подобных неприятностей дома оборудуют системами молниезащиты.

Далеко не все домовладельцы задумываются о том, как обезопасить свой дом от удара молнии. С одной стороны (и это понятно), попадание молнии представляется событием крайне маловероятным. С другой же — незначительная вероятность такого происшествия с лихвой компенсируется серьезностью последствий.

Самой очевидной неприятностью для дома, которую может принести с собой встреча с раскаленным до 30 000^оС  каналом молнии, является пожар. Менее драматичным, но достаточно печальным следствием может быть проплавление кровли или растрескивание несущих конструкций.

Для жильцов, находящихся внутри жилища, при ударе молнии существует опасность поражения напряжением прикосновения (совершенно невинная металлическая поверхность может оказаться смертельно опасной) или шаговым напряжением (за счет разности потенциалов в различных точках поверхности).

Несладко приходится также электрическому и электронному оборудованию, для которого электрический импульс молнии может стать в прямом смысле губительным. Причем, для гибели дорогостоящей электроники вовсе не обязательно дожидаться прямого попадания молнии в дом, часто вполне достаточно ее удара в какой-либо объект поблизости. Вредные перенапряжения во внутренней сети дома могут возникать и при достаточно удаленных, до 2 км, ударах молнии.

Поэтому, чтобы не стать жертвой собственной халатности, следует со всей серьёзностью отнестись к защите дома от разбушевавшейся природы.

Прямой наводкой

Кроме поражения прямым ударом, следует учитывать и влияние так называемых вторичных поражающих факторов — занос высокого потенциала и электромагнитную индукцию. Занос потенциала происходит при содействии инженерных коммуникаций, без которых трудно представить себе любой современный дом. Кратковременный электрический импульс в десятки тысяч ампер от ударившей неподалеку молнии способен не только повредить  имеющие в доме электроприборы, но и вообще разрушить всю систему электроснабжения, вызвать множественные короткие замыкания, чреватые возникновением пожара.

Наведенное напряжение

Возникает вследствие закона электромагнитной индукции, согласно которому на любых проводящих  поверхностях, попадающих в зону действия электромагнитного поля, возникает разность потенциалов или напряжение.  Эта ситуация чревата возникновением разрядом между  элементами с разными потенциалами, что несет опасность травматизма и опять-таки — разрушения электронного оборудования.

Основные участники

В зависимости от типа исходящей угрозы разработаны разные системы для её предотвращения. Различают системы: «внешняя молниезащита», защищающая дом непосредственно от прямого разряда молнии, и «внутренняя молниезащита», задачей которой является устранение опасной для людей и оборудования разности потенциалов и перенапряжения в сетях. Но действительную безопасность здания, его обитателей и технологической «начинки» можно обеспечить только системным использованием обоих видов защиты.

На украинском рынке оборудование для систем молниезащиты предлагают в основном иностранные компании. Среди них широко известны следующие фирмы OBO Bettermann (Германия), Schirtec (Австрия)

Щит от Юпитера

Что касается внешней защиты, то надо понимать, что в действительности отвести молнию под силу разве что самому Зевсу Громовержцу или его славянскому коллеге Перуну. Громоотвод же способен лишь уменьшить до приемлемого уровня тот ущерб, который она может нанести. Защитное действие ее основано на свойстве молнии с большей вероятностью поражать более высокие и хорошо заземленные предметы по сравнению с расположенными рядом объектами меньшей высоты.

Основными элементами внешней молниезащиты служат молниеприёмник, токоотвод (опуск) и контур заземления. Молниеприемник, как и следует из его названия,  должен принять на себя удар молнии, не дав ему войти в контакт с защищаемым объектом. Токоотвод предназначен для отведения возникающего тока (1 тыс-200 тыс. Ампер) к заземлителю. Опуски делают из стали, защищённой от коррозии. Их прокладывают по наружным стенам здания в местах, недоступных для прикосновения.

Контур заземления

Представляет собой стальную конструкцию, заглублённую в почву (на глубину не менее  3 м) и обеспечивающего растекание тока молнии в землю. Металлический проводник может состоять из одного, двух или трёх вертикальных электродов, соединённых между собой горизонтальным.

Монтаж оборудования, обеспечивающего защиту здания от прямых ударов молнии, следует проводить в соответствии с ДСТУ Б В.2.5-38: 2008 «Инженерное оборудование зданий и сооружений. «Блисковкозахист будинків та споруд (IEC 62305:2006, NEQ)». Согласно этому нормативу все металлические элементы сооружения, включая бытовые электроприборы и их подводящие линии, должны быть вовлечены в  систему молниезащиты. Подобные меры предосторожности позволяют избежать опасного разряда между молниеприёмником и опуском с одной стороны и металлические конструкциями здания и электрооборудования с другой стороны.

Если стальные, медные, алюминиевые компоненты не имеют токопроводящего продолжения в здание и расположены на расстоянии меньше 1 м от токоотвода, их следует подключать к системе молниезащиты напрямую (шина заземления). К таковым элементам относятся металлические решётки, двери, трубы (с негорючим или взрывоопасным содержимым), декоративные элементы фасада.

Фактор сочетаемости

Элементы оборудования для систем защиты от прямого удара молнии делают из различных материалов. Это преимущественно оцинкованная сталь, нержавеющая сталь, медь и алюминий. Чтобы система работала исправно долгие годы, необходимо обеспечить защиту её рабочих секций от коррозии. Для этого не рекомендуют совмещать медные конструкции с оцинкованными или алюминиевыми деталями, поскольку это может спровоцировать коррозию контактируемых поверхностей. Если существует необходимость соединения двух различных материалов, совместное использование которых не желательно, выходом из этой ситуации будет применение биметаллических соединителей. Алюминиевые детали нельзя прокладывать непосредственно (без зазоров) по штукатурке, строительному раствору, бетону, а также внутри них и под ними.

Допустимые комбинации металлов в системе внешней молниезащиты

Активное и пассивное

По принципу работы молниеприемника системы внешней защиты разделяют на такие классификации «пассивная молниезащита» и «активная молниезащита».

«Пассивная молниезащита» — это классическая система Франклина, в которой, в качестве молниеприемника используются простые металлические элементы: штырь, натянутый трос или сетка из металлических прутьев или проводов. На практике редко задействуют один вид молниеприёмника, чаще всего применяют их комбинации. Эти элементы монтируют на кровле и выступающих частях здания.

В целом, системы молниезащиты для коттеджного строительства функционально схожи, отличаются только типом используемых материалов (медь, сталь, алюминий). Причём для изделий из разных металлов существуют свои нормативные требования. Так, площадь сечения молниеприёмника, выполненного в виде стального прута, должна быть не меньше 50 мм2, для алюминиевого штыря — 70 мм2, для медного — 35 мм2.

«Активная молниезащита»,  появившаяся в 1980-х годах,  использует так называемые, активные молниеприемники, имеющие специальное устройство, которое при приближении грозы инициирует возле кончика раннюю эмиссию встречного стримера и таким образом перехватывает опасный разряд молнии. На их выпуске специализируется компания  Schirtec (Ширтек).

Зона защиты у активных  молниеприемников значительно больше  чем у  классических их аналогов. Другим их достоинством считают «незаметность», отсутствие видимых издалека внешних элементов. Основным преимуществом активных систем является большой радиус защиты, позволяющий организовать помимо защиты дома защиту прилегающего участка со всеми постройками и деревьями.

Внутренняя стойкость

Все-таки, вероятность прямого попадания молнии в конкретный дом очень мала. А вот ее удара в какой-нибудь объект в радиусе нескольких сотен метров уже значительно выше. В этом смысле внутренняя молниезащита более востребована, чем внешняя. Более того, она способна уберечь расположенные в доме объекты не только от молнии, но и от любых кратковременных электромагнитных импульсов.

Требования к комплексной системе защиты от молнии, основанной на принципе постепенного снижения перенапряжения до безопасного уровня, приведены в международных нормах IEC 62305-4 (VDE0185-305 часть 4).

Превентивные меры предполагают деление всей электросети здания на отдельные зоны, в которых в зависимости от уровня ожидаемых перенапряжений устанавливается ограничитель перенапряжений. Они могут представлятьсобой газонаполненный разрядник, варисторные и диодные элементы, высокочастотные фильтры. Каждый из типов ограничителей имеет свои особенности, достоинства, недостатки и ограничения в применении. Поэтому решения об их  конкретном размещении требует серьезной проектной проработки, достаточно серьезных расчетов. Понятно, что эту работу желательно поручать профессионалам.

Для устранения опасных перепадов потенциала должна быть предусмотрена система уравнения потенциалов, основные принципы которой также указаны в нормах молниезащиты строительных объектов. Чтобы предотвратить нежелательные последствия, все проводящие коммуникации и металлические конструкции в доме сообщают между собой с помощью шины выравнивания потенциалов. Для этого применяют соединительные элементы с низким импедансом (комплексным сопротивлением для гармонического сигнала). Всё токопроводящее, что входит в дом (электропитание, водопровод, газовые трубы, телекоммуникационные кабели) также  рекомендуют соединять с так называемой уравнивающей шиной, которая, в свою очередь, должна быть подключена на устройство заземления.

Решение проблем

Чтобы уберечь своё жилище от прямых попаданий молнии, прибегают к различным способам решения  этой задачи, в зависимости от типа строения, формы его крыши и высоты, расположенных близ него объектов. Дымовые трубы, установленные над всеми элементами крыши, также могут служить форпостом по защите сооружения разбушевавшейся стихии. Над ними монтируют стержневой молниеприёмник высотой от 20 см. От него по кровле и стене строения прокладывают заземлённый токоотводящий кабель. Когда конёк здания является его наивысшей точкой, над ним подвешивают металлический трос на уровне минимум 25 см. В качестве опор для молниеприёмника используют деревянные планки, закреплённые на стенах дома. В этом случае опуски тянут с двух сторон по торцевым стенам сооружения. Если длина дома не превышает 10 м, прокладку токоотвода и заземлитель делают только с одной стороны.

В каждом из приведённых случаев применяют молниеприёмник и опуски диаметром от 6 мм. Для системы заземления используют вертикальный или горизонтальный электрод длиной 2–3 м, диаметром от 10 мм, уложенный на глубине от 0,5 м.