Э. М. Базелян, д.т.н., профессор;
Энергетический институт имени Г.М. Кржижановского, г. Москва;
признанный отечественный Эксперт в области заземления и молниезащиты
Предложение написать статью о самой плохой молниезащите поставит в тупик кого угодно. Самая плохая молниезащита – это ее полное отсутствие, а что можно написать о том, чего попросту нет! Но все-таки написать хотелось, ведь в любом деле есть стандартный набор недоразумений. Он сформировался годами проектной работы многих специалистов и многими годами традиционные ляпы повторялись во многих проектах. Они касаются молниеприемников, токоотводов и заземлителей. Этот традиционный набор предопределяет молниеотвод любой конструкции.
Не думаю, чтобы перечисление традиционных ляпов станет откровением, но пусть этот «список» хотя бы привлечет внимание к тому, что давно известно, разобрано едва ли не по косточкам, но все равно (может по привычке?) влезает в проект образца 2022 года.
Молниеприемники
Стержневые и тросовые молниеотводы едва ли не век фигурируют в нормативных документах большинства технически развитых стран. Следом за ними идут молниезащитные сетки. Что такое сетка? По физическим представлениям это просто многократный тросовый молниеотвод. Взаимно перпендикулярные по направлению тросы располагаются с шагом в несколько метров, в различных нормативах от 5 до 20 м. Ничего необычного в многократных тросовых молниеотводах нет. Удивляет не многократность тросов, а малое их превышение над защищаемой поверхностью в том, что называется сеткой. Достаточным считается всего 0,1 м.
В моем компьютере располагается присланный на отзыв проект ГОСТ по молниезащите, намеченный для использования в странах содружества. Зоны защиты тросовых молниеотводов там не отличаются от тех, что введены в известную Инструкцию СО-153.34.21.122.2003. Для пользы дела вынужден чуть-чуть похвастать - именно я на собственном компьютере определял размеры зон защиты тросовых молниеотводов для Инструкции СО-153.34.21.122-2003. А теперь по той же методике и той же программой готов оценить эффективность сетки. Пусть для определенности принят объект высотой 15 м с плоской гладкой металлической кровлей. Результат компьютерного расчета показывает приблизительно равное распределение молний между крышей и защищающей ее сеткой, которая примет на себя почти 50% молний. Иными словами, о сколько-нибудь эффективном защитном действии сетки не может быть и речи, поскольку даже для III уровня защиты требуется надежность 0,9.
Желающие могут повторить расчет, воспользовавшись для этой цели программой на сайте фирмы ZANDZ, которая представлена там в свободном доступе.
Короткая справка. Молниеотвод в виде сетки предложен исключительно для диэлектрических кровель. Наложенная на такую кровлю она защищает людей и оборудование на верхнем этаже здания. При изоляционном расстоянии до защищаемых элементов в пару метров сетка оказывается вполне эффективной. Во всяком случае она наверняка обеспечит надежность защиты на уровне 0,9. Сомневающихся прошу внимательно прочитать п. 2.11 Инструкции РД 34.21.122.87. Неметаллическая кровля упоминается там в самой первой строчке. Кто навязал использование сетки для металлических и железобетонных кровель – большая тайна. Здесь сетка совершенно бесполезна.
Сетка для металлических и железобетонных кровель – это очень плохая молниезащита.
А вот высотный молниеотвод бесполезным не назовешь. Впечатляющая вещь! Конструкция высотой в 100 – 150 м обоснованно привлекает внимание репортеров центрального телевидения. В Интернете найдется не одна статья о смелом и прогрессивном решении коллектива проектировщиков. Особого вранья здесь нет. Высотный молниеотвод действительно защищает. Зоны защиты молниеотвода высотой до 150 м введены даже в Инструкцию СО-153.34.21.122-2003. Радиус защиты стержневого молниеотвода на уровне земли при надежности 0,999 равен 60 м, а при надежности 0,9 близок к 170 м.
Представленные цифры настораживают, особенно когда проектируется молниезащита высокой надежности. Радиус 60 м – это совсем немного для столь высокого молниеотвода
Магнитное поле от тока в молниеотводе мало чем отличается от поля тока в канале молнии. Поэтому высотный молниеотвод приходится рассматривать как источник сильных электромагнитных полей, воздействующих на защищаемый объект. Это очень опасно, если близ расположенный защищаемый объект заполнен микроэлектроникой, управляющей ответственными технологическими процессами
Токоотводы
С токоотводами особых проблем вроде бы не предвидится. По нормам от молниеприемника к заземлителю ток молнии должен транспортироваться не менее чем по двум токоотводам. А связь крыши здания с заземлителем должна осуществлять система токоотводов. Они прокладываются с шагом 10 - 25 м в зависимости от заданного уровня защиты. Указания очень конкретные и многозначной трактовке вроде бы не подлежат. Тем не менее путаница бывает. Тень на плетень наводят изолирование и отдельно стоящие молниеотводы. Проще начать с последних. Их установка подробно регламентирована в Инструкции РД 34.21.122-87, где, в частности, указано минимально допустимое расстояние от молниеотвода до защищаемого объекта. Оставим на совести авторов нормирование этого расстояния. Сейчас важно лишь то, что оно не превышает нескольких метров, минимально 3 м.
А теперь о токоотводах. У отдельно стоящего молниеотвода функцию токоотвода, как правило, выполняет его металлическая опора.
Впрочем, магнитное поле порядка 104 А/м мало приятно и для любой современной микроэлектроники.
Для ординарных сооружений электромагнитные наводки особой опасности не представляют. А потому вряд ли найдутся соображения против применения отдельно стоящих молниеотводов, особенно естественных. В их роли могут выступать соседние более высокие сооружения и даже высокие деревья. Не нужно только забывать, что любой отдельно стоящий молниеотвод будет заметно выше того, что установлен на крыше защищаемого объекта при той же надежности защиты. Если не жалко лишнего металла, можно делать.
Обращаясь к изолированному молниеотводу, приходится отметить, что все сказанное выше едва ли не в полной мере относится и к нему. Молниеприемник изолированного молниеотвода устанавливается на изоляционной стойке, которая отделяет его от металлоконструкций защищаемого сооружения. На рисунке вариант расположения изолированного молниеотвода для защиты электронного блока антенны. Он заимствован
из рекламного проспекта, демонстрирующего достоинства системы. Здесь они действительно налицо. Ток молнии отведен от электронного блока на расстояние в несколько метров, от чего резко снизилась электромагнитная наводка на электронику. Ситуация действительно удачная. Только вряд ли удастся выполнить нечто подобное на крыше большого здания, особенно когда молниеотвод далеко от ее края. Токоотвод получится очень длинный. Он должен пройти до края кровли, а затем спуститься до заземляющего устройства, протянувшись на полную высоту стены. Конструкция получается нелепой и с изолирующими стойками большой длины ее не выполнить. Магнитное поле от тока молнии внутри здания окажется практически таким же, как от отдельно стоящего молниеотвода. Скорее всего это не удовлетворит заказчика. Проще разделить ток молнии по большому числу токоотводов.
Эффективность этого мероприятия позволяют оценить результаты компьютерного расчета на представленном рисунке. Они выполнены для сооружения площадью 50 х 50 м. Замена одиночного токоотвода на множественные, проложенные с шагом 2 м по периметру сооружения, снижают максимальное поле внутри как минимум на 2 порядка величины.
Квалифицированный читатель может заметить, что минимальный шаг размещения токоотводов равен совсем не двум, а десяти метрам. Однако, это нормированный шаг специально прокладываемых токоотводов. На деле в их роли могут использоваться любые металлические конструкции сооружения, имеющие непрерывную связь с землей. В представленном примере предполагалась металлическая арматура стеклопакетов, имеющая как раз такую ширину. Кстати, здесь можно в какой-то мере оправдать молниезащитную сетку. Как молниеотвод на железобетонной крыше она не работает, а вот распределить по многочисленным естественным токоотводом ток молнии сумеет с большим успехом.
Одиночный токоотвод изолированного молниеотвода может быть показателем плохой молниезащиты.
Заземляющие устройства
Существует распространенное представление о том, что для эффективного перехвата молнии у молниеотвода должно быть низкое сопротивление заземления. Этот миф приходится развеять. Даже в лабораторных экспериментах, когда моделью молнии служит длинная искра, не удается заметить зависимости радиуса защиты от сопротивления заземления. Объяснить подобное просто. Сопротивление заземления снижает потенциал вершины заземленного стержня, откуда стартует встречный лидер. Именно он перехватывает молнию. По закону Ома снижение потенциала определяется произведением сопротивления заземления на ток встречного лидера. Ток этот мал. По порядку величины он на уровне 10 А. Значит даже при сопротивлении заземления в 1000 Ом снижение потенциала будет в пределах 10 кВ – ничтожно малая величина по сравнению с напряжением на промежутке между лидером молнии и землей, которое исчисляется десятками мегавольт. Вот почему молниеотвод практически одинаково работает при любом сопротивлении заземления. Неприятности нужно искать в другом.
Казалось бы, величина сопротивления заземления должна быть предметом жесткого нормирования в нормативных документах по молниезащите, однако в Инструкции СО-153.34.21.122-2003 о нем даже не упоминается, а в более старом документе РД 34.21.122-87 по не вполне понятной причине нормируется не сопротивление заземления, а конструкция молниеотвода. Так, независимо от удельного сопротивления грунта молниеотвод разрешается оснащать заземлителем в виде горизонтальной шины длиной 10 м с тремя вертикальными стержневыми заземляющими электродами длиной по 3 м. Компьютерный расчет такого устройства дает для его сопротивления заземления выражение
RЗ = 0,1ρ Ом,
если удельное сопротивление грунта ρ вводится в Ом м. Получается, что в равной мере годится все - и сопротивление заземления в 10 Ом в хорошем грунте с ρ = 100 Ом м, и заземлитель в 500 Ом в скальном грунте с ρ = 5000 Ом м. Серьезно усомниться в этом заставляет расчет распределения напряжения по поверхности грунта в окрестности молниеотвода. Результаты компьютерного расчета для единичного тока молнии (1 кА) представлены на следующем рисунке. Разность напряжений в точках на расстоянии 0 и 1
м от молниеотвода фактически задает напряжение прикосновения. Для этого разность ординат графика надо умножить на удельное сопротивление грунта и на амплитуду тока м олнии в кА. Так при токе молнии 100 кА (III уровень защиты) амплитуда напряжения прикосновения близка к 500 кВ даже в грунте высокой проводимости с удельным сопротивлением 100 Ом м. При столь высоком напряжении изоляция на токоотводе человека не защитит. Конечно, искровые процессы в грунте снизят полученное расчетное значение в несколько раз, но и это не устранит опасности прикосновения к молниеотводу.
Сказанное усугубляется особой любовью градоначальников к плитке. Ею сегодня вместо асфальта мостят тротуары. Асфальт очень неплохой изолятор. Он защищает от напряжения шага. Плитка такой способностью не обладает. Она выкладывается с зазорами, из которых выглядывает мокрый грунт, а сама плитка в грозу тоже мокрая. Какая уж тут изоляция!
Разность значений между всеми остальными парами точек на графике дает напряжения шага. Даже на расстоянии 10 м от молниеотвода в только что рассмотренных условиях оно близко к 15 кВ. Здесь бы самое время сказать об опасном уровне импульсного напряжения шага. К большому сожалению, его значение до сих пор не нормировано. Минимальное нормированное время воздействия напряжения равно 0,01 с, вместо 0,0001 с, которые типичны для молнии. Приходится надеяться на чисто формальный пересчет по энергии. Он приводит к недопустимо опасной величине в 6000 В. Дальше слово за физиологами. Впрочем, и без них, любой высоковольтник будет рассказывать о контакте с напряжением в 6000 В, оперируя исключительно ненормативной лексикой.
Приходится констатировать:
Молниеотводы с типовым заземляющим устройством из Инструкции РД 34.21.122-87 - это плохая молниезащита по условиям электробезопасности в грозовой обстановке.
Несколько слов дочитавшему до конца
Абсолютно плохой молниезащиты не бывает. Средства молниезащиты, рассмотренные в этой статье, давно и успешно использованы в инженерной практике. Дело лишь в том, чтобы применить их там, где они действительно полезны. Басня И.А. Крылова про мартышку и очки здесь более, чем к месту. Выбирая средства защиты, важно точно определить, какое из проявлений молнии наиболее опасно для защищаемого сооружения. Только так можно без ошибки выбрать эффективное молниезащитное устройство и правильно разместить его. Рекомендовать нечто абсолютно универсальное попросту невозможно, а главное, вредно.
Что делать, если предполагаемое проектное решение совпало или очень похоже на одно из перечисленных выше? Возможных выходов два: приходите на планируемый в ближайшем будущем вебинар, посвящённый теме этой статьи, или обращайтесь за консультацией и расчетом в Технический центр ZANDZ. С удовольствием поможем!