В лабораториях не раз пытались обнаружить влияние сопротивления заземления молниеотвода на его эффективность. Металлический стержень, имитирующий молниеотвод, связывали с заземленной плоскостью высоковольтного зала не наглухо, а через резистор. Однако при сопротивлении резистора даже в 1000 Ом стержень столь же эффективно перехватывал многометровую искру, моделирующую молнию, как и в случае глухой металлической связи. Тем не менее, сопротивление заземления обоснованно считают едва ни наиважнейшим параметром внешней и внутренней молниезащиты. Оснований для этого достаточно. Благодаря сопротивлению заземления ток молнии поднимает до мегавольтного уровня потенциал токоотводов и молниеприемника, создавая таким образом грозовые перенапряжения. Они едва ли не в равной степени опасны, как для воздушных линий электропередачи ультравысокого напряжения, так и для скромной "воздушки" 380/220 В, поставляющей электроэнергию в ваш дом. Подавляющее число тяжелых поражений людей и животных в грозу – результат воздействия на них не прямого удара молнии, а напряжений прикосновения и шага, напрямую зависящих от сопротивления заземления. Благодаря проводимости грунта устанавливается гальваническая связь между заземлителем молниеотвода и подземными коммуникациями, в ряде случаев исключительно опасная для ответственного и дорогостоящего оборудования современных промышленных объектов. Впрочем, для бытовой аппаратуры такую связь тоже не назовешь желаемой.
В этой статье будут рассмотрены особенности распространения в земле токов молнии и параметры заземляющих устройств, важные для практических приложений. Везде, где это возможно, трудоёмкие аналитические выкладки исключены, чтобы не усложнять чтение статьи. В такой ситуации следовало бы отдать предпочтение результатам натурного эксперимента. Однако, серьёзным препятствием здесь оказывались исключительная дороговизна, трудоёмкость и многомесячная продолжительность даже относительно простых полевых измерений. Вот почему их пришлось заменять компьютерным моделированием. Полагаю, численные эксперименты тоже заслуживают доверия. Теоретическое описание электрического поля постоянного тока целиком аналогично теории электростатических полей, давно и хорошо разработанной и в принципиальном отношении, и в методологии конкретных практических расчётов. Компьютерное моделирование, использованное в этой статье, базируется на вполне достоверной методологической основе.
Нужно сразу оговориться, что практика расчётов заземляющих устройств в статью не включена. Их предполагается рассмотреть особо.
Э. М. Базелян, д.т.н., профессор;
Энергетический институт имени Г.М. Кржижановского, г. Москва;
признанный отечественный Эксперт в области заземления и молниезащиты
1. Проводимость грунта
Эту величину никак не назовешь подходящей для среды, где растекается килоамперный ток молнии. Удельное сопротивления даже высоко проводящей земли примерно в миллиард раз больше удельного сопротивления обычной стали. При организации заземления специалистов выручает только практически неограниченный объём грунта, по которому распространяется ток.
Проводимость грунта на редкость нестабильна. Она сильно зависит не только от его минералогического состава, но также от влажности и температуры. Вот почему методические указания вынуждены давать очень приблизительные значения удельного сопротивления для различных грунтов.
(продолжение на отдельной странице)
Статья включает ответы на следующие вопросы:
2. Измеряем сопротивление заземления
Это полагается делать в процессе завершения монтажных работ и перед каждым грозовым сезоном. Принцип работы любого измерительного прибора сводится к методу амперметра и вольтметра. Встроенный генератор прибора нагружает контролируемый заземлитель током известной величины I, а вольтметр измеряет напряжение на заземлителе UЗ относительно бесконечно удаленной точки. По закону Ома частное от деления этих величин дает сопротивление заземления. RЗ = UЗ/I. Проблема организации измерений связана только с монтажом схемы. Для ввода тока надо поместить в грунт вспомогательный токовый электрод, а для измерения напряжения следует найти "бесконечно далекую" точку нулевого потенциала, чтобы ввести в нее еще один вспомогательный электрод для подключения вольтметра. Все это требует немалого свободного пространства. Иначе никак не исключить взаимного влияния между электродами и искажений ими режима растекания тока.
(продолжение на отдельной странице)
Статья включает ответы на следующие вопросы:
3. Индивидуальный контур заземления – насколько это реально?
Требование собственного ни с чем не связанного контура заземления часто можно слышать от пользователей дорогой высоко чувствительной аппаратуры. Записано такое требование и в ПУЭ, например, там есть запрет размещения молниеотводов на ближайших порталах силовых трансформаторов. Можно ли реально изготовить заземлитель, не имеющий гальванической связи с другими подземными электродами? В общем случае ответ на этот вопрос безусловно отрицательный, потому что все подземные электроды связаны между собой через конечную проводимость грунта. Вопрос лишь в том, насколько сильна такая связь, в результате которой часть тока молнии от заземлителя молниеотвода может попасть в не предназначенный для этой цели заземлитель прецизионной аппаратуры.
4. Работа заземлителя в импульсном режиме
Любая горизонтальная заземляющая шина или вертикальный электрод обладают индуктивностью. Это значит, что ток не проникает в заземлитель мгновенно, но фактически загружает его элементы с вполне конкретной скоростью. В результате не весь заземлитель мгновенно включается в растекание быстро нарастающего тока молнии. Его участки вступают в работу постепенно и тем позднее, чем дальше находится конкретный участок от места ввода импульсного тока. В таких условиях бесполезно ориентироваться на измерения или расчет сопротивления заземления для постоянного (вернее – медленно меняющегося) тока. Реальные условия растекания тока молнии могут оказаться несопоставимо хуже и будут характеризоваться совершенно другими, многократно повышенными сопротивлениями заземления. Импульсные характеристики заземляющих устройств требуют, таким образом, самостоятельного анализа.
5. Как нормировать сопротивление заземления в молниезащите
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.
6. Что нужно знать о нелинейных свойствах грунта
Приходится еще раз повторить, что грунт очень плохой проводник. При удельном сопротивлении порядка 100 Ом м даже вполне умеренная плотность тока σ = 104 А/м2 = 1 А/см2 создает электрическое поле Egr = ρσ = 106 В/м. Этого достаточно для начала ионизационных процессов в грунте. Классическое представление о последствиях ионизации сводится к тому, что у поверхности заземляющих электродов образуется хорошо проводящий плазменный чехол, который увеличивает площадь контакта электрода с грунтом. В результате сопротивление заземления электрода снижается тем в большей степени, чем сильнее ток и, соответственно, больше радиус образовавшейся плазменной области.
7. Некоторые итоги
Содержание этого раздела вряд ли привлечет специалиста, но может быть полезно инженеру-электрику, который стремится разобраться в методике проектных оценок заземляющих устройств. На первом этапе своей разработки целесообразно иметь в виду следующие соображения.
Смотрите также:
УЗИП и его плавкая вставка
Молниезащита объектов в районах вечной мерзлоты
Молниезащита и заземление для базовых станций стандарта 5G
Анализ нормативного документа ФЕДЕРАЛЬНЫЕ НОРМЫ И ПРАВИЛА В ОБЛАСТИ ПРОМЫШЛЕННОЙ БЕЗОПАСНОСТИ "ПРАВИЛА БЕЗОПАСНОСТИ ПРИ ВЗРЫВНЫХ РАБОТАХ"