Заземление в молниезащите. Как нормировать сопротивление заземления в молниезащите

Как нормировать сопротивление заземления в молниезащите

Из цикла статей "Заземление в молниезащите - ответы на частые вопросы при проектировании".

Затрудняюсь дать обоснованный ответ на этот вопрос и не знаю специалиста, способного на такое. В начале статьи уже отмечалось, что изменение сопротивления заземления молниеотвода в сколько-нибудь разумных пределах даже на 2 порядка величины практически не сказывается на эффективности притяжения молний. Значит, ориентироваться надо на какой-то иной критерий, связанный, например. с электробезопасностью или с допустимым уровнем перенапряжений в электрических цепях объекта. Попытка формировать нормативные требования на такой основе не лишена смысла, но неизбежно будет связана с массой нерешенных проблем. Главная из них – предельно допустимый уровень напряжения прикосновения и шага для людей и животных в импульсном режиме. Существующее нормирование заканчивается здесь временем воздействия напряжения в 0,01 с, что примерно на 2 порядка больше, чем в грозовых условиях. Специалист по молниезащите плохо знаком с физиологией и не может предложить обоснованной методики пересчёта опасного для человека уровня воздействующего напряжения в другой столь различный временной диапазон. Попытка сделать это по условию равного энерговклада (тогда вместо допустимых 600 В получилось бы 6 кВ), к сожалению, научно не обоснована.

Ещё проблематичнее исходить из допустимого уровня грозовых перенапряжений. Во-первых, они далеко не всегда находятся в прямой зависимости от сопротивления заземления, а во-вторых, электрические цепи различного номинального напряжения по-разному реагируют на перенапряжения. К тому же эти цепи могут иметь защитные средства и нет однозначного решения вопроса о том, куда вкладывать материальные ресурсы, - в снижение сопротивления заземления или в средства ограничения возникающих перенапряжений.

Всё выше перечисленное оставляет проектировщика один на один с проблемой. В отечественном нормативе по молниезащите СО-153-34.21.122-2003 о сопротивлении заземления молниеотводов нет ни единого слова. В инструкции по молниезащите РД 34.21.122-87 дело ограничивается только типовыми конструкциями заземляющих устройств молниеотводов, а их сопротивлениями заземления оставлены без внимания. Полезно разобраться хотя бы в этом, чтобы осознать методические подходы составителей норматива и оценить целесообразность рекомендованного.

Для отдельно стоящего молниеотвода в Инструкции РД 34.21.122-87 указываются 3 конструкции заземлителей, поддающихся конкретному расчёту:

стойка опоры длиной не менее 5 м и диаметром не менее 0,25 м,
два вертикальных стержня длиной не менее 3 м, соединенных полосой длиной 5 м на глубине не менее 0,5 м (диаметр 10 – 20 мм),
три вертикальных стержня тех же размеров и с тем же шагом.

Компьютерный расчёт в грунтах с различным удельным сопротивлением даёт для этих конструкций соответственно следующие расчётные соотношения

R_З = 0,14ρ

R_З = 0,13ρ

R_З = 0,10ρ

Ом

Когда же молниеотводы монтируются на крыше здания, фундамент которого непригоден для использования в качестве заземлителя, контур заземления 16х16 м по внешнему периметру в РД 34.21.122-87 считается достаточным для грунта удельным сопротивлением ρ ≤ 500 Ом*м, а контур 30х30 м - вплоть до 1000 Ом*м. Сопротивление заземления этих контуров равны соответственно R_З = 0,035ρ и R_З = 0,02ρ Ом.

Представленное трудно назвать нормированием, поскольку в разных регионах России удельное сопротивление грунта вполне может меняться в пределах 2-х порядков величины (от 50 до 5000 Ом м, иногда еще выше), а сопротивление заземления отдельно стоящего молниеотвода с типовым заземлителем - от 5 Ом приблизительно до 700 Ом. И то, и другое норма? Хотелось бы знать, с каких позиций! Для здания с молниеотводами на крыше ситуация не многим лучше. Ну а об удельном сопротивлении свыше 1000 Ом м в РД 34.21.122-87 вообще не упоминается, хотя такие грунты в России не редкость.

Не знаю, что можно придумать для отдельно стоящих молниеотводов. Обычное же исполнение молниезащиты с молниеотводами или сеткой на крыше выручает предписание ПУЭ об объединении всех заземляющих устройств в единый технологический контур. Его сопротивление заземления наверняка окажется не выше 10 Ом. Для надёжной работы молниеотводов такого безусловно достаточно. Иное дело защита от напряжений шага и прикосновения. Здесь ситуация представляется тяжелой даже при расположении объекта на участке с грунтом весьма высокой проводимости. Для демонстрации проблемы рассмотрим жилое здание типовых размеров 60х12 м, фундамент которого использован как заземляющее устройство (рис. 32). Опоры фундамента заглублены в грунт с удельным сопротивлением ρ = 150 Ом м на 5 м. Компьютерный расчёт дает для такого фундамента сопротивление заземления R_З = 1,9 Ом, что вполне удовлетворяет требованиям не только к сопротивлению заземления молниеотводов, но и к технологическому заземлению сети 380/220 В.

Рисунок 32

Картина распределения напряжений шага представлена на рис. 32 в отношении продольной и поперечной стен здания. Ближайшая к стенам здания точка определяет напряжение прикосновения. При токе молнии 100 кА (расчетный ток для III уровня молниезащиты по СО-153-34.21.122-2003) в разобранном примере оно близко к 25 кВ у поперечной стены здания и к 20 кВ у продольной. Обе цифры несопоставимо превышают значение 600 В, нормированное по соображениям электробезопасности. Значение 6 кВ, полученное для грозовых воздействий формальным пересчетом в этой статье, они также превосходят в 3 – 4 раза. Даже на расстоянии 10 м от стен напряжения шага всё ещё нельзя считать безопасными для человека и животных. К сожалению, тому находятся вполне убедительные и печальные подтверждения на практике.

В случае, когда ставится задача обеспечить действительно безопасное растекание тока молнии в местах скопления людей, проект заземляющего устройства должен разрабатываться специально. В этом отношении заслуживают внимания два различных по исполнению подхода. Первый из них сводится к нанесению на землю слоя влагостойкого диэлектрика, способного выдержать воздействующее напряжение шага и прикосновения. В РД 34.21.122-87 в качестве такового упоминается, например, асфальт. Второй путь связывается с поиском оптимальной конструкции заземлителя. В первую очередь речь может идти о глубинном заземлителе специальной конструкции. Стержневой электрод, предназначенный для этой цели, должен иметь изоляционное покрытие, способное выдержать практически полное напряжение на заземлителе. Изолированная часть стержня в растекании тока естественно не участвует. Она требуется для того, чтобы опустить голую часть металлического стержня на нужную глубину, начиная с которой ток будет попадать в землю. По сути изоляция определяет глубину, на которой размещён верхний активно работающий конец заземляющего электрода.

Рисунок 33

Конструкция оказывается достаточно эффективной. Расчётные данные на рис. 33 показывают, что, заглубив стержневой электрод на 10 м, можно снизить напряжения шага примерно в 25 раз. В итоге при удельном сопротивлении грунта 100 Ом*м максимальное напряжение шага не превысит 3 кВ даже при токе молнии 100 кА. Естественно, что использование глубинного заземлителя можно совместить с применением изоляционного покрытия на поверхности грунта в местах особо большого скопления людей.

Э. М. Базелян, д.т.н., профессор
Энергетический институт имени Г.М. Кржижановского, г. Москва

Читайте далее "Что нужно знать о нелинейных свойствах грунта".

Полезные материалы:
•Серия статей о молниезащите для новичков
•Серия вебинаров о заземлении и молниезащите с профессором Э.М. Базеляном
•Элементы внешней молниезащиты
•Консультации по выбору, проектированию и монтажу систем заземления и молниезащиты

Смотрите также: