6.1. Принцип действия и расчет молниезащиты

Кто изобрел громоотвод

В принципе система молниезащиты на удивление проста. Стоит задача — встретить молнию на подлете к вашей антенне или крыше и сделать так, чтобы она изменила свое первоначальное направление и, скользнув вдоль стены, ушла в землю рядом. Молниезащита состоит из трех основных частей: молниеприемника; токоотвода; заземлителя.

#p.jpg_31   Примечание .

Молниеприемник получает удар молнии, передает его токоотводу, а тот— заземлителю, который гасит разряд в толще грунта.

Малоизвестно, что изобретателем громоотвода (правильнее — молниеотвода) был гражданин США Бенджамин Франклин. Большинство знают его в лицо только по изображению на купюре В 100 долларов (рис. 6.1)!!!

Рис. 6.1. Известный портрет  Б.Франклина

Франклин посвятил изучению электричества семь лет. Главным итогом этого увлечения и стал молниеотвод.

В 1752 г. Франклин доказал, что молния — это электрический разряд. Он запустил воздушного змея с металлической пластиной в грозовую тучу. Когда молния ударила в пластину, из нее посыпались искры.

Этот опыт был очень опасным, и ученого, пытавшего его повторить, убило молнией. Но опыт помог Франклину доказать, грозовые тучи имеют статический заряд и что молния — очень мощный разряд. В том же году Франклин установил первый громоотвод в стене дома.

Громоотвод улавливал молнию и безопасно для дома отводил ее разряд в землю. За остальные годы своей многогранной творческой деятельности Франклин сумел создать карту течения Гольфстрим, изобрел экономичную печку, до сих пор распространенную в Америке и Франции, придумал уличные фонари и двойные очки для старческой дальнозоркости, да еще был избран президентом США.

Расчет эффективной молниезащиты

Расчет эффективной молниезащиты небольшого дома не сложный.

Шаг 1. Определение высоты дома . По коньку крыши проводится провод, образующий центральную линию токоотвода. Определяем высоту расположения этой линии h. Эта практически высота дома (рис. 6.2). Она является точкой отсчета при планировании всей системы молниезащиты. В нашем случае высота дома составляет 11 м.

Рис 6.2. Расчет эффективной зоны молниезащиты частного дома

Шаг 2. Определение угла защиты α . Диаграмма приведена на рис. 6.3.

Рис 6.3. График зависимости радиуса зоны защиты от высоты дома

Высота дома (в нашем случае 11 м) образует горизонтальную ось диаграммы. После этого проводим вертикальную линию от значения высоты h вверх до ее пересечения с кривой соответствующей категории защиты (в нашем случае III). Соответствующая точке пересечения позиция на вертикальной оси диаграммы сообщает нам значение угла защиты α. В нашем случае он составляет 60°.

Шаг 3. Перенесите этот угол на наш дом . Все включенные в данную зону части дома защищены.

Шаг 4. Защита частей дома, находящихся вне угла защиты . Части дома, находящиеся вне зоны защитного угла, должны быть защищены отдельно. В нашем случае незащищенной является, во-первых, труба. Она имеет диаметр 70 см, должна быть снабжена молниеотводной мачтой длиной 1,50 м. Во-вторых, чердачные окна на крыше снабжаются отдельными коньковыми проводниками. Окончания конькового провода должны выступать над крышей и быть загнутыми к верху по длине на 0,15 м. Это необходимо для защиты выступающего козырька дома.

#p.jpg_32   Примечание.

Это простейший расчет молниезащиты дома. Он не учитывает многих особенностей дома и участка, состояния почвы. Поэтому расчет в более сложных случаях нужно доверить профессионалам. Это ваша безопасность.

 

6.2. Элементы молниезащиты

Молниеприемники

В ряде случаев в качестве молниеприемников можно использовать металлические элементы труб, металлическую кровлю, карнизы, соединенные с заземлителем. Но могут быть и специальные конструкции. В общем случае молниеотвод — это устройство из трех основных элементов:

♦ молниеприемника, который принимает разряд молнии;

♦ токоотвода, который должен направить принятый разряд в землю;

♦ заземлителя, который отдает заряд земле.

Задача — встретить молнию на подлете к вашей крыше и сделать так, чтобы она изменила свое первоначальное направление и, скользнув вдоль стены, ушла в землю рядом. Молниеприемник встречает удар молнии, передает его токоотводу, а тот — заземлителю, который гасит разряд в толще грунта.

Для частного дома, этого оказывается достаточным. Молниеприемник может иметь вид металлического штыря (стержневой), натянутого вдоль конька крыши металлического троса или металлической сетки из арматуры с шагом ячеек обычно 6-12 м.

#o.jpg_25   Внимание.

Для защиты от прямого удара молнии следует устанавливать молниеприемник на такую высоту, чтобы в зону защиты (это все, что вмещается в конус, высота которого определяется высотой молниеприемника, а диаметр основания равен тройному значению высоты) попадали выбранные объекты.

Для таких молниеотводов используют достаточно высокие, стоящие рядом деревья или сооружают мачты. Но мачты с молниезащитой не всем по карману, хотя они признаны надежными (а в ряде случаев и единственно допустимыми), да и пейзаж они не облагораживают. Поэтому чаще всего применяют тросовые и сетчатые молниеприемники.

#p.jpg_33  Примечание .

Для строений с неметаллической кровлей допустима упрощенная схема молниезащиты.

Классическая конструкция молниеотвода

На самом высоком месте кровли устанавливают при помощи деревянных подпорок стальной стержень круглого сечения диаметром 12 мм.

#s.jpg_17  Полезный совет.

Его можно сделать и из стальной трубы, только обязательно с запаянным или закрытым металлической пробкой торцом.

Это — молниеприемник. Он примет на себя удар разряда молнии. Длина его может варьироваться от 20 см до 1,5 м, но в любом случае площадь сечения обращенного в небо штыря должна составлять не менее 1 см2 (одного квадратного сантиметра).

От молниеприемника пойдет токоотвод — проволока с рекомендованной толщиной не менее 6 мм.

#s.jpg_17   Полезный совет.

Ее нужно к молниеприемнику тщательно и надежно приварить: 200 тысяч ампер будут проходить через это соединение — не шутка, могут и расплавить.

Токоотвод спускают с крыши и, прикрепляя к стене дома скобами, доводят до земли и погружают в нее, где на глубине 1–2 м заложен тщательно приваренный заземлитель. В качестве заземлителя можно использовать кусок металлической трубы или лист стали. А если нет возможности копать, можно устроить заземлитель из забитого в землю стального прута. Его надо забить на глубину примерно 2–3 метра. Подробно о заземлении см. в гл. 5.

Физические молниеприемники

Помимо «механических» молниеприемников существуют «физические». Возможность искусственно создавать столб ионизированного воздуха давно подсказала использование встречного «лидера» молнии в качестве своеобразного молниеприемника. Первые устройства для ионизации были основаны на применении радиоактивного изотопа.

При подаче напряжения к такому устройству появлялся столб ионизированного воздуха, на который и замыкался «лидер» от грозовой тучи. Позже эти устройства трансформировались в безопасные молниеприемники, работающие уже не от радиоактивных изотопов, а с помощью электроники.

Часто молнии разряжаются вблизи высоких объектов, не всегда попадая именно в них. Причем вблизи высоких объектов молнии наблюдаются несколько чаще, чем в других местах. Эта закономерность объясняется тем, что «встречный лидер» с высоких объектов как бы притягивает к себе «лидеров» из облака не только строго над своей вершиной, но и с периферийных частей тучи.

Эти удаленные «лидеры» иногда «не в силах» замкнуться на встречный «лидер» от высокого объекта. В итоге они все равно замыкаются на землю, но уже на встречные «лидеры» с других, менее высоких объектов.

#p.jpg_34   Примечание.

Получается, что любая мачта (например, сотовой связи) объективно притягивает в зону своего расположения большее число молний. Этот факт заставляет серьезно задумываться о безопасности и гарантированной молниезащите своего дома.

 

6.3. Выбор системы защиты при различных условиях

Особенности защиты дома с металлической кровлей

Для оборудования системой молниезащиты дома с металлической крышей рекомендуется подвести к двум противоположным скатам токоотвод и соединить его с заземлителями (например, водопроводной трубой). Токоотвод лучше прокладывать по стене дома, противоположной входу, и закапывать заземлитель подальше от фундамента и различных садовых построек. Токоотвод необходимо заизолировать от внешней среды и стен дома и поместить в трубу.

#p.jpg_34   Примечание.

Удар молнии в крышу дома из металла не опасен при условии, если последняя надежно заземлена.

Для ее заземления по всем углам кровли крепят токоотводы и соединяют их с заземлителями. Воронки водосточных труб проволокой надежно соединяют с кровлей, а концы труб — с землей. В этом случае сечение проволоки токовода должно быть не менее 30–35 мм2.

Вообще заземление кровли должно быть не реже чем через 10–15 м ее периметра. Дымовая труба защищается металлическим колпаком, подключаемым к стальной кровле. Если нет колпака, то по периметру верхнего края трубы кладут 6-8-миллимётровую проволоку и также крепят ее к кровле.

Особенности защиты дома с кровлей из шифера

Для таких крыш специалисты советуют иную систему. Вдоль «конька» кровли по всей длине протягивается металлический трос на двух деревянных подпорках на расстоянии 250 мм от конька, к нему припаивается токоотвод, спускается вдоль крыши, проходит по стене и уходит в землю. Токоотвод необходимо заизолировать от внешней среды и стен дома и поместить в трубу. Токоотвод припаян к заземлителю из стального листа. Система должна располагаться также на расстоянии 3–5 м от входа.

Особенности защиты дома с кровлей из черепицы

Для защиты черепичных крыш специалисты советуют накинуть на кровлю сетку из стальной проволоки с шагом ячейки не более чем 6x6 м, но и не особенно частой (не реже 3–4 м). Диаметр проволоки или троса для такой сетки должен быть приблизительно 6 мм. Все стыки проволоки тщательно пропаиваются.

Затем к этой сетке присоединяется токоотвод, который заканчивается закопанной в землю стальной пластиной заземлителя.

При наличии на расстоянии 3-10 м от строения высоких деревьев (в 2 раза и более превышающих его высоту с учетом всех выступающих над кровлей элементов дымовые трубы, антенны и т. д.), по стволу ближайшего дерева прокладывают токоотвод.

Верхний конец токоотвода должен выступать над кроной дерева не менее чем на 0,2 м. У основания дерева токоотвод присоединяют к заземлителю. Если конек кровли соответствует наибольшей высоте постройки, а крыша неметаллическая, над ним подвешивают тросовый молниеприемник, возвышающийся над коньком не менее чем на 0,25 м.

Опорами для молниеприемника служат закрепленные на стенах строения деревянные планки. Токоотводы прокладывают с двух сторон по торцевым стенам строения и присоединяют к заземлителям. При длине строения менее 10 м токоотвод и заземлитель выполняются только с одной стороны.

При наличии возвышающейся над всеми элементами кровли дымовой трубы над ней устанавливают стержневой молниеприемник высотой не менее 0,2 м, кладут по кровле и стене строения токоотвод, присоединяют его к заземлителю.

При наличии металлической кровли ее хотя бы в одной точке присоединяют к заземлителю, при этом токоотводами служат наружные металлические лестницы, водостоки и т. д. К кровле присоединяют все выступающие над ней металлические предметы, например, дефлекторы.

Во всех случаях применяют молниеприемники и токоотводы диаметром от 6 мм, а в качестве заземлителя — один вертикальный или горизонтальный электрод длиной 2–3 м, диаметром от 10 мм, уложенный на глубине не менее 0,5 м. Допускают сварные и болтовые соединения элементов молниеотводов.

Использование деревьев для молниезащиты

Если рядом с домом или хозяйственными постройками (в пределах 3-10 м) имеются высокие деревья (15–20 м), их можно использовать для оборудования одновременной молниезащиты всех строений, находящихся в этой зоне.

Другой вариант конструкции молниеприемника, который чаще всего встречается в практике для защиты дома от ударов молнии, представляет собой мачту, выполненную из твердых пород дерева. Ее длина в зависимости от расположения на доме может быть от 3 до 6 м. Желательно, чтобы верхняя точка молниеприемника возвышалась над коньком дома на 2–3 м.

К верхней части мачты крепится металлический стержень. Это может быть уголок, проволока диаметром 5–8 мм или отрезок трубы диаметром от 10 до 15 мм, которые принимают на себя удар молнии, а затем по токопроводящему проводу отводят его к заземлителю, находящемуся в грунте.

Диаметр токоотводящего провода — не менее 5 мм, заключен в надежную изоляцию и должен обладать хорошей проводимостью. Лучше всего для этих целей подходит медный провод.

#s.jpg_18   Полезный совет.

Все системы молниезащиты необходимо регулярно осматривать и при необходимости делать ремонт или заменять отдельные элементы. В случае необходимости замены электродов вертикального заземлителя, целесообразно не удалять поврежденные детали, а вкопать рядом новый заземлитель, присоединив его к общему токоотводу.

 

6.4. Заземление молниеотвода

Роль заземления в молниезащите

В любом случае — как для «внешней», так и для «внутренней» молниезащиты — очень важна роль заземления.

#o.jpg_26   Внимание.

Электроды должны заглубляться так, чтобы достигать влажных слоев почвы, иначе не будет заземления как такового.

Сила тока, протекающего по молниеотводу, в своем максимуме может достигать 200 000 А. Сопротивление же заземления молниеотвода не должно превышать 10 Ом. В итоге напряжение, возникающее в молниеотводе, может достигнуть значительно большей величины, чем напряжение пробоя.

#o.jpg_26   Внимание.

В случае не совсем правильного заземления (при котором ток «не успевает» уходить в землю) или при опасном сближении самого молниеотвода с защищаемым объектом, произойдет пробой — ток будет «стараться» замкнуться на внутренние коммуникации дома (на электропроводку, трубы отопления и т. п.).

Особенности конструкции заземлителей

Заземлители (электроды) служат для отвода молнии в грунт. Они должны обладать малым удельным сопротивлением, которое в основном зависит от состава почвы, ее влажности, температуры и других факторов.

Вертикальные заземлители применяют при сухих грунтах и низком уровне грунтовых вод в виде 2–3 метровых металлических стержней, вбитых на расстоянии около 3 м друг от друга и соединенных между собой на глубине не менее 0,5 м перемычкой, в середине которой присоединен токоотвод.

Горизонтальные заземлители — это уложенные на глубине не менее 80 см длинные (3–5 м) металлические профили (прокат): стальная арматурная проволока диаметром 15–20 мм, полосовая сталь сечением не менее 160 мм2 (40x4 мм), уголки с шириной полок 40–50 мм. Применяются они при влажных почвах, высоком уровне грунтовых вод (менее 1,5 м), на торфяниках.