Молниеотвод устройство и физические особенности. Устройство и монтаж молниезащиты и заземления. Существует несколько видов молниеотвода, но основные их части одни и те же

Если рассматривать статистику погибших людей от ударов молнии, то это количество больше, чем жертв в авиационных катастрофах. Молния каждый год уносит несколько тысяч жизней, а также наносит многомиллионный материальный ущерб. Каждый владелец дачи или собственного дома знает, что защитить свое имущество и родственников можно только самому. Поэтому молниеотводы лучше изготавливать самостоятельно.

Самодельные молниеотводы нормально работают, что подтверждается на практике. Такие устройства имеют и другое название – громоотводы. Гром никакого вреда не наносит, кроме громкого звука. А для защиты от молнии необходимо сооружать некоторую конструкцию.

Удар молнии обычно приходится в конструкцию с максимальной высотой, которая встречается на ее пути. Опасным местом во время грозы является жилой дом или другая постройка из-за наличия в них металлических элементов – крыша, телевизионная антенна и т.д. Жильцы городских квартир могут не беспокоиться, так как большинство многоэтажных домов уже имеют молниеотводы.

Если рядом с домом имеется вышка сотовой связи, то в устройстве молниеотвода нет необходимости. Во всех других случаях целесообразно все-таки обезопасить свой дом. Если вызывать для таких работ специалистов, то это обойдется вам недешево. Но если разобраться с устройством системы молниеотвода, то можно все сделать самостоятельно.

Виды и особенности устройства

На рисунке изображено устройство системы молниеотведения.

Существует несколько видов молниеотвода, но основные их части одни и те же:

• Молниеприемник.
• Токоотводящее устройство.
• Заземление.

Виды молниеприемников

Верхняя часть этой защитной системы называется молниеприемником.

• Стержневой приемник молнии заострен на конце. В него ударяет молния во время грозы. Оптимальным вариантом изготовления приемника молнии является медный штырь диаметром 15 мм. Он должен быть расположен достаточно высоко, однако слишком высокий приемник будет притягивать к себе электрические разряды молнии.Стержневые молниеотводы наиболее эстетичны, в отличие от тросового, но обеспечивают меньший защитный радиус на участке. От высоты металлического штыря зависит величина защищаемого пространства.

• Тросовый приемник способен защитить большую площадь участка, в отличие от стержневого молниеприемника. Тросовые конструкции используются в устройствах линий электропередач. В них вместо металлических штырей применяют трос, который соединяется с другими элементами болтовым соединением.

• Сетчатый приемник молнии изготавливается в виде металлической сетки на крыше дома.

Токоотводы

Следующей частью системы отведения молнии является токоотвод, состоящий из толстых , закрепленных специальными муфтами к приемнику молнии и заземляющему контуру. Для крепления его на стене применяются пластиковые крепежные элементы. Токоотвод необходимо изолировать от воздействия внешней среды. Для этого обычно используют пластиковый .

Заземление

Основные элементы заземления находятся в грунте. Заземлитель состоит из металлических стержней, сваренных между собой, либо скрепленных болтами.

Заземление системы отведения молнии является важной частью всей конструкции. Этот заземляющий контур аналогичен устройству заземления дома. Важным требованием при этом является то, что эти два разных контура заземления ни в коем случае не должны соединяться. Иначе во время грозы бытовые электрические устройства могут выйти из строя, либо возникнет возгорание деревянного дома от разряда молнии.

Требования к заземлению системы отведения молнии

• Металлические штыри, вставленные в грунт, должны быть длиной не меньше трех метров.
• Сечение металлических штырей – не менее 25 мм 2 .
• Штыри соединяются между собой треугольником, что является отличием от обычного заземления дома.
• Между вершинами треугольника должно быть расстояние не менее 3 метров.
• В качестве соединительных шин допускается применять металлический пруток диаметром не меньше 12 мм или полосу сечением 50 х 6 мм.
• Длина сварных швов не должна быть меньше 20 см.
• Для заземления молниеотводов устанавливается минимальная глубина над поверхностью земли 50 см.

Место для заземления

К этому вопросу следует подходить с наибольшим вниманием и аккуратностью. Заземляющие электроды не должны устанавливаться в местах нахождения животных, или возле детских площадок. Также нельзя располагать эти элементы возле скамеек или дорожек.

Лучше заземление будет работать во влажном грунте. Чтобы поддерживать работу заземления, можно самостоятельно создавать для этого условия, периодически поливая место заземления водой. Если нет возможности полива этого места, а почва в вашей местности слишком сухая, то рекомендуется при установке в почву электродов заземления посыпать их смесью соли и древесного угля.

Как работают молниеотводы

Чтобы разобраться в принципе действия системы отведения молнии, следует представить большой конденсатор, который постоянно заряжается. Его обкладками будут облака и земля. При наступлении грозы обкладки этого большого конденсатора начинают электризоваться между собой, и накапливать заряд. При достижении разницы напряжения между обкладками, равному напряжению пробоя молнии, возникает сильный разряд молнии, достигающий нескольких миллиардов вольт.

Чтобы заряд не накапливался, необходимо замкнуть этот конденсатор на землю. Таким замыкающим проводником и являются молниеотводы. Поэтому при грозе происходит разряжение конденсатора и обкладки не могут накопить заряд, а напряжение в молниеотводе уменьшается до нуля. Другими словами, система отведения молнии создает условия, в которых не способен возникнуть электрический разряд молнии, так как накапливаемый заряд отводится в землю.

Особенности самостоятельной установки молниеотвода

• Молниеотводы рекомендуется изготавливать из материалов, не подверженных коррозии. Для этого применяется оцинкованный уголок, луженая жесть, профиль из дюралюминия, или сетка из неизолированной медной проволоки. Соединяющие проводники должны иметь необходимое сечение. Молниеприемник нельзя покрывать лакокрасочными материалами или другой изоляцией.
• Для удобного расположения молниеотвода можно использовать высокое дерево, находящееся вблизи дома. Чтобы не причинять вред дереву, приемник молнии можно закрепить на длинном деревянном шесте, который фиксируют на дереве с помощью , и располагают на максимальной высоте.
• Если дерева нет, то можно использовать для крепления молниеприемника телевизионную антенну, которая закреплена на крыше дома.
• Другим способом установки является печная труба, к которой можно закрепить металлический штырь и соединить его с заземлением.

Техническое обслуживание

Чтобы система молниеотвода работала без нареканий, необходимо обслуживать его конструкцию для поддержания в рабочем состоянии. Металлический штырь, играющий роль приемника молнии, необходимо чистить обычными чистящими средствами в виде наждачной бумаги или других аналогичных средств, чтобы предотвратить образование окиси и удалить загрязнения.

В засушливые времена необходимо периодически увлажнять почву в месте закладки контура заземления.

Обустройство громоотвода на дачном участке – важное условие безопасности нахождения на нем во время непогоды. Разряды электрического тока огромной силы при наличии громоотвода не оказывают влияние на конструкции дома и остальные элементы, находящиеся в зоне защиты. Однако не стоит думать, что громоотвод препятствует ударам молнии. Все обстоит иначе. Он становится проводником для отвода разряда от дома, уводя ток силой до 100 тысяч ампер в заземлитель.

Варианты устройства громоотвода

Классический громоотвод может выполняться в одном из двух вариантов: в виде одиночного стержня или системы тросов, натянутых между молниеприемниками. Первый вариант обычно применяется для защиты отдельного дома, в то время как второй – для создания безопасной зоны на целом участке. Тросовый громоотвод также рекомендован для зданий, имеющих значительную длину.

Составные части громоотвода

В защите от молний в первую очередь нуждаются дома с крышей из металла или металлочерепицы, так как такие варианты не имеют заземления, поэтому во время грозы накапливают на себе электрические заряды.

В случае с металлической крышей без изоляционного слоя, имеющей толщину покрытия для железа – 4 мм, для меди – 5 мм или для алюминия – 7 мм, возможно упрощенное устройство громоотвода, когда роль молниеприемника берет на себя ее поверхность. В таком случае через каждые 20 метров крыши производится заземление. Здесь нужно учитывать качество кровли, ведь если имеются какие-то разрывы, то нужного эффекта от такого молниеприемника не будет.

В остальных случаях громоотвод должен состоять из следующих элементов:

• молниеприемника (1) в виде тонкого электрода или системы электродов, устанавливаемых над домом на определенной высоте;
• токоотвода (2) – кабеля, соединяющего приемник с заземлением;
• заземлителя (3), уводящего ток в землю.

Молниеприемник

Элементом, в который при наличии громоотвода ударяет молния, является молниеприемник. Выполняется он обычно в виде стержня из стали, меди или другого материала со сходной проводимостью. Не нужно покрывать его краской или лаком, чтобы избежать коррозии, иначе он потеряет нужные свойства.

Площадь сечения: для стали – 50 кв. мм, для меди – 35 кв. мм, для алюминия – 70 кв. мм.

Установить молниеприемники можно с разных сторон или по центру крыши. Если устанавливается несколько молниеприемников, то они соединяются в общую цепь, замкнутую на заземлитель. Стержень можно расположить не только на поверхности крыши, но и на печной трубе или ближайшем высоком дереве. Оптимальной будет высота не более 15 метров. Если он устанавливается на дереве, то крепление производится таким образом, чтобы стержень возвышался над кроной не менее чем на 0,5 м и на 10–15 см выше дома.

Кроме стрежней возможны варианты защитной сетки (арматура толщиной 6 мм) и тросовой системы. Второй способ является более рациональным для дачного дома, так как трос натягивается на высоте выше уровня крыши, а сетка размещается на самой кровле. Трос диаметром не менее 5 мм натягивают по коньку крыши на стойках, после чего опускают вниз, где соединяют его с заземлителем. Таким образом, он выполняет и функцию молниеприемника и токоотвода.

Также в качестве приемников могут использоваться отдельные части строения (водосточные трубы, металлические ограждения). Их применение разрешено, если они имеют сечение большее, чем нужно для нормальной защиты.

Токоотвод предназначен для соединения молниеприемника и заземлителя. Выполняется он из алюминиевого или медного провода большого сечения. Для этих целей подойдет витой провод, который применяется для прокладки воздушных линий электропередач. Крепление токоотвода осуществляется с использованием клеммников, муфт или обжимных трубок.

Расстояние между молниеприемником и заземлителем должно быть минимальным, поэтому провод направляется по прямой вниз. Количество токоотводов зависит от площади дома. Для коттеджей площадью около 200 кв. м рекомендуется устанавливать 2 токоотвода на расстоянии примерно 20 м друг от друга.

Фиксируется он на специальном шесте или непосредственно на стене дома с помощью пластикового крепежа. Для защиты токоотвода можно изолировать его от воздействия окружающей среды при помощи кабель-канала.

Заземлитель

Так как заземлитель нужен для отвода разряда молнии в грунт, то он должен обладать маленьким электрическим сопротивлением. Для этих целей подойдут как дорогие материалы, такие как медь, алюминий, латунь и другие нержавеющие металлы, так и более дешевая обычная сталь. Заземлитель не должен иметь повреждений и следов ржавчины, так как они могут стать причиной уменьшения диаметра стержней из-за разрушения металла.

Для качественного заземления может применяться не один, а несколько стержней, которые погружаются в грунт вдали от дорожек и кровли, особенно если она изготовлена из легковоспламеняющегося материала. В дачных условиях в качестве заземлителя также можно использовать любой крупный металлический предмет, имеющийся под рукой: спинку от старой кровати, чугунною ванну, арматурную сетку и подобное.

Тип заземления зависит от параметров дома и особенностей грунта. Сухой грунт отличается низким уровнем грунтовых вод. Чтобы ток доходил до влажной почвы, необходимо вертикальное заземление. Заземлитель в этом случае выполняется из двух стержней сечением 100 мм и 2-3 м в высоту, вбиваемых на расстоянии 3-4 м друг от друга. Стержни соединяются между собой проволокой, тросом (медный, алюминиевый) или лужеными пластинами железа, к центру которого приваривается токоотвод.

Для влажного грунта характерен более высокий уровень грунтовых вод, поэтому можно не выполнять вертикальное заземление, заменив стержни уголками полосовой стали, водопроводными трубами или другими подобными металлическими элементами. Укладывается горизонтальный заземлитель на глубину 1 м.

В данном случае роль заземлителя может выполнять и токоотвод, уложенный в землю таким образом, чтобы занять как можно большую площадь соприкосновения с почвой. Соединенная конструкция может иметь форму гребешка (буквы Ш) или треугольника. Недопустимо при крепеже проволоки применение ручной скрутки и плоскогубцев, разрешается только обычная или холодная сварка.

Размещению заземлителя нужно уделить отдельное внимание. Это должно быть удаленное от дома и дорожек место, недоступное для детей и домашних животных, желательно огражденное. Минимальное расстояние до дома должно составлять не менее 1 м.

Так как вода является отличным проводником электрического тока, то лучше, если почва вокруг заземлителя будет влажной, тогда разряды будут быстро уходить в землю, не накапливаясь на стержне. Обеспечить дополнительную влажность можно с помощью потока дождевой воды из стока с крыши либо целенаправленным поливом почвы.

Для каждого строения необходимо произвести расчет громоотвода, так как каждая конфигурация способна обеспечить защитную зону различных размеров. Параметры данной зоны можно рассчитать самостоятельно, учитывая особенности и габариты дачного дома.

Одиночный стержень образует защитную зону, которая по геометрии близка к конусу, имеющему угол при вершине примерно 45°. Вершина этого конуса будет находиться в наивысшей точке громоотвода. У молниеприемника тросового типа зона защиты имеет более сложную геометрию, в которой трос служит ребром, а каждый стержень образует свой конус.

Расчет защитной зоны одиночного стержня можно произвести по следующей формуле:

где R – радиус зоны над самой высокой точкой дома, h – расстояние от самой высокой точки дома до пика громоотвода.

Чтобы выяснить, достаточно ли высоты стрежня для защиты определенной зоны на уровне земли, можно воспользоваться следующим расчетом. Допустим, высота конуса будет обозначена h o , радиус на земле – R o , высота здания – h x , радиус на уровне высоты здания – R x , высота стержня – h. Тогда с учетом высоты имеющегося громоотвода и высоты дома неизвестные значения будут вычисляться по формулам:

R x = 1,5*(h-h x /0,92).

На практике расчеты выглядят так: если стержень имеет длину 10 м, то радиус зоны защиты на земле будет составлять 1,5*10 = 15 м, остальные параметры вычисляются аналогично.

Для расчета необходимой длины стержня можно воспользоваться теми же формулами, подставив в них желаемый радиус защитной зоны. В случае со сложной геометрией молниеприемника нужно нарисовать графическую модель дома и громоотвода и высчитать зону защиты геометрическим путем.

Высота громоотвода не должна превышать 12 м, поэтому, если не удается уложиться в данные ограничения, используя одиночный стержень, для расширения защитной зоны рекомендуется использовать несколько мачт.

Установка громоотвода

Чтобы установка громоотвода была осуществлена правильно, стоит придерживаться следующей методики:

1. Измерить высоту крыши и определить ее геометрию. Для наглядности начертить схему, по которой можно определить будущую защитную зону.
2. Определиться с типом молниеприемника. Для квадратных домов достаточно одиночного стержня, для длинных строений оптимально применение тросовой системы.
3. Произвести расчет защитной зоны и определить нужную высоту стержня (стержней). Минимальное сечение молниеприемника должно соотноситься с его высотой в пропорции 5 кв. мм на метр.
4. Определить точку крепления молниеприемника и зафиксировать его на крыше или стене.
5. Выкопать яму для заземлителя и поместить его на нужную глубину.
6. Соединить между собой заземлитель и молниеприемник.
7. Проверить громоотвод мультиметром. Его сопротивление не должно превышать 10 Ом.

Обустроить громоотвод можно и на дереве, которое в 2,5 раза выше дома и располагается на расстоянии не менее трех метров от него. Молниеприемник в таком случае крепится на длинном металлическом шесте, фиксируемом на дереве с помощью хомутов из синтетического фала. Соединение с заземлителем осуществляется проволокой не менее 5 мм в сечении.

Дальнейшая эксплуатация

Установленный громоотвод не нуждается в особом уходе. Его нужно лишь периодически проверять на отсутствие повреждений и качество металлических соединений. Если стержень молниеприемника уменьшился в диаметре или места стыков потеряли целостность, то данные элементы требуют замены. Место расположения заземлителя также должно подвергаться проверке, а земля вокруг него поддерживаться во влажном виде.

В современных домах и производственных помещениях без качественной защиты от молнии практически не обойтись – и потому устройство молниеотвода не будет лишним знать каждому, кто так или иначе связан со строительным делом. Впрочем, данная информация не повредит и «обычному» человеку.

Основы работы молниеотвода, общее устройство молниеотвода

Молниеотвод - устройство, устанавливаемое на зданиях и сооружениях и служащее для защиты от удара молнии.

Даже не в столь далекие времена гроза и молния считались непредотвратимым стихийным явлением, от которого уберечься можно было лишь по чистой случайности. Со временем точка зрения на молнию, конечно же, изменилась. Ученые давно проникли в физическую суть молнии. Но еще раньше люди заметили, что молния ударяет не куда угодно, а выбирает для этого наиболее высокие места и предметы. Вполне логично было предположить, что можно искусственно предоставить ей такую возможность – бить в самую высокую точку, при этом обезопасив близлежащие строения и, конечно же, людей.
Проблемой защиты от молнии занимались многие ученые. Но лишь известный русский ученый Михаил Ломоносов добился на этом поприще действительно выдающихся успехов. В сотрудничестве с другими видными учеными мужами своего времени ему удалось сконструировать эффективный громоотвод, принцип действия которого работает и по сей день.
Как правило, классический громоотвод (он же молниеотвод) состоит всего из двух частей:

• Приемник молний, который собой представляет металлический стержень, укрепленный как можно выше;
• Провод, по которому ток от молнии поступает в заземлительный контур.

Так как планета Земля в любом случае будет больше любого расположенного на ней объекта, то все миллионы вольт, которые принимает на себя громоотвод, уходят именно в землю, не причиняя вреда животными и людям, не нанося ущерба постройкам.

Какие бывают молниеотводы: конструктивные разновидности

Молния действует предсказуемо, несмотря даже на полную непредсказуемость этого природного явления – она не выбирает цель, а бьет в самый высокий предмет.

В целом, громоотвод, как уже было отмечено, собой в конструктивном плане представляет довольно нехитрое устройство. Однако важно учитывать некоторые тонкости для того, чтобы он работал корректно и обеспечивал хорошую защиту.
Так железный приемник молний следует поднять над крышей самого высокого поблизости строения на несколько метров. Его укрепить можно и на самой постройке, и на отдельном шесте неподалеку.
Токоотвод собой представляет довольно толстую жилу, которая может быть изготовлена как из меди, так и из железа. Назначение его – передача тока от молниевого приемника к заземлительному контуру.
Контур заземления. Он обеспечивает передачу тока непосредственно в землю по тоководу.
Все без исключения громоотводы работают именно по такому принципу. Причем, токоотвод и контур заземления всегда остаются без значительных изменений. Говоря о разновидностях громоотвода, как правило, подразумевают различия в молниевом приемнике. Именно об этом и пойдет речь в остальной части данной статьи.

Итак, какого же типа бывают приемники молний?

Особенности конструкции стержневого молниеотвода

Самый простой и потому некогда (да и сейчас тоже) вид молниеприемника – стержневой. Такой установлен во многих частных секторах. Как правило, это обычная металлическая мачта, которая метра на два возвышается над крышей дома. Впрочем, как уже говорилось, можно смонтировать громоотвод и на отдельной мачте, неподалеку от дома.

Обратите внимание! Если установить приемник молний на металлическом шесте, то шест будет одновременно выступать и в виде токовода. К контуру заземления его можно будет прикрепить при помощи обычной сварки.

Учитывая то, что грозы нередко сопровождаются еще и довольно сильными ветрами, необходимо максимально прочно укрепить мачту. В противном случае увесистая конструкция может просто упасть – и нанести ущерб постройкам или даже здоровью человека.

Чем примечателен линейный громоотвод

Другая разновидность громоотвода – это линейный. Еще он носит название тросового. Конструктивно он устроен несколько сложнее, чем мачтовый, о котором говорилось выше. Собственно говоря, это трос из металла, растянутый между двумя мачтами.

Сам трос при этом соединяется с контуром заземления также при помощи токоотвода в виде медной или стальной толстой жилы. Жилу при этом важно действительно брать достаточно крупного сечения. В противном случае она может просто оплавиться из-за теплового действия электрического тока.
Считается, что такой вид молниеотвода способен уловить больше молний, благодаря чему обеспечивается большая безопасность даже во время самой интенсивной грозы.

Особенности сетчатого молниеприемника и громоотвода, основанного на его использовании

Как можно понять из одного только названия, такого вида приемник молний представляет собой специальную сетку, которая организуется из металлических жил. В свою очередь, такая сетка располагается сверху крыши и берет на себя все грозовые удары.
Ну а дальше все происходит по же привычной схеме: «пойманная» молния пропускает весь свой ток через толстый токовод прямо в контур заземления, где заряд благополучно гасится.
Благодаря тому, что сетка имеет довольно большую площадь, она способна уловить еще больше молний и не допустить попадания ни одной из них в металлические части строений.
Некоторые домовладельцы применяют даже одновременно несколько типов громоотводов. Впрочем, как правило, бывает вполне достаточно и одного. Главное – чтобы было все выполнено правильно во время сборки и монтажа конструкции.

Особенности монтажа молниеотвода и заземлительного контура

Контур заземления в случае с молниеотводами устроен примерно тем же самым образом, что и заземлительный контур для самого дома. Но нужно иметь в виду, что эти два контура между собой пересекаться ни в коем случае не должны. Это – отдельно функционирующие друг от друга элементы.
Если не внять этому правило, то можно после первого же удара грозы получить сильнейший разряд в розетки и в электрооборудование – и в итоге потерять не только дорогостоящую бытовую технику, а, быть может, и сам дом. Так что для заземления дома и для заземления громоотвода нужно предусмотреть два разных независимых контура.
Впрочем, процесс изготовления контура для молниевого отвода точно такой же, за некоторыми отличиями, которые необходимо принимать во внимание:

• Заземляющие электроды не должны иметь величину менее трех метров;
• При этом сами электроды должны иметь поперечное сечение не менее 2,5 см и быть выполнены в виде цельнометаллического прута;
• Контур заземления должен иметь только треугольную форму – это очень важно!
• Причем, между вершинами треугольника должно обеспечиваться расстояние от трех метров – собственно, это требование и обеспечивается через длину электродов;
• Шина, при помощи которой электроды объединяются в контур, обязана быть в диаметре не менее 1,2 см. Если же в качестве шины применяется полоска из металла, то ее параметры должны быть следующими: 50 х 6 мм;
• Сварные соединения должны быть выполнены максимально качественно – чтобы из-за нагревания они не могли разойтись

Приемник молнии – это железный элемент, поднимаемый на несколько метров выше крыши строения. Размещаться он может как непосредственно на самом строении, так и рядом с ним, неподалеку.

При этом важно обеспечить глубину залегания верхней части контура не менее 50 – 80 см.

Каким образом заземление соединяется с токоприемником

Поперечное сечение жилы, из которой состоит токовод, не должно быть мене 6 миллиметров в случае применения цельной жилы. Если берется прут, то его диаметр должен быть не менее одного сантиметра.
Соединение шины с и приемником облегчается, если вся система изготовлена из стали. Тогда все соединения можно произвести при помощи сварки. Важна длина сварного соединения: провар должен иметь в длину не меньше 60 см. Если же речь идет о жиле, то в этом случае придется действовать при помощи специальных клемм, представляющих собой пластины со специальными ложбинками для кабеля.
Крепление токоотводящей жилы к стене дома можно осуществить пластиковыми клипсами. Можно также само провод поместить в короб из токоизолята.

Удар молнии в молниеприемник отводится специальным контуром заземления.

Егор Дмитриевич Петров, электрик: в случае, если в постройке имеется дымоход, вокруг него рекомендуется намотать несколько витков отводящей жилы и затем соединить ее с молниеотводом. В отдельной защите могут нуждаться и такие элементы кровли, как трубы, водосточные желоба – в том случае если они изготовлены из металла. В идеале вообще все металлические части крыши должны быть обеспечены молниеотводами, однако на практике это либо просто не осуществимо, либо связано с преодолением большого количества трудностей.
Михаил Сурков, монтажник электрооборудования: не будет лишним позаботиться и о защите молниевых приемников от коррозии. Ведь им придется длительное время выдерживать не самые благоприятные природные условия. Для этого можно будет просто выкрасить стержень приемника или оцинковать его. Если же приемник изготовлен из меди, то дополнительной защиты от коррозии не требуется.

Выводы

Обустроить у себя на участке качественный громоотвод может каждый. Для этого потребуется не так много сил и времени. Но при этом крайне важно соблюсти все требования, которые были указаны выше. Ведь не стоит забывать, что величина разряда внутри молнии достигает миллионов вольт. Так что халатное отношение к обустройству молниеотвода может послужить причиной несчастного случая и нанесения вреда постройкам на участке.
1. СК Лайт Проф http://www.light-prof.ru/catalog — производство готовых молниеотводов, услуги по установке системы на месте.
2. Компания Ezetek http://ezrf.ru/goods/flash/ — молниеотводы и мачты по доступным расценкам, услуги по установке комплекта на объект.
3. АЛЕФ ЭМ http://www.groze.net/komplektuyushhie_dlya_molniezashhity.html — Молниезащита, заземляющие устройства, оказание услуг по доставке и монтажу приобретенных комплектов.
4. Хакель Рос http://www.zandz.ru/molniezashchita — отечественная компания, продающая комплекты для защиты от молнии и комплектующие к ним.
5. НПП ЭСТ http://www.uziprov.ru/shop/trosovyi-molnieotvod/ — тросовые молниеотводы и комплектующие к ним, компания изготавливает системы любой сложности и предлагает услуги по монтажу комплектов.

В большинстве случаев молния действует предсказуемо, несмотря даже на полную непредсказуемость этого природного явления – она не выбирает цель, а бьет непосредственно в самый высокий предмет. В общем, если ваш дом является самым высоким строением в радиусе 200-300м, то молниеотвод окажется не лишним дополнением к вашему дому. Именно он убережет вас от неприятных, а иногда очень опасных исходов, связанных с прямым попаданием молнии в дом. О нем и пойдет речь в этой статье, в которой вместе с сайтом сайт мы ответим на следующие вопросы: какие бывают молниеотводы, как они устроены и как изготавливаются своими руками?

Молниеотвод фото

Молниеотвод: разновидности и их конструкции

В принципе, конструкция молниеотвода представляет собой бесхитростный механизм, состоящий из трех простейших частей, изготовить которые самостоятельно и собрать в единую систему не представляет никаких сложностей.

1. Приемник молнии – это железный элемент, поднимаемый на несколько метров выше крыши строения. Размещаться он может как непосредственно на самом строении, так и рядом с ним, неподалеку.
2. Токоотвод. По сути, это толстая стальная или медная жила, по которой ток, полученный от разряда попавшей в приемник молнии, передается в контур заземления.
3. Заземляющий контур. Его назначение простое – именно с его помощью разряд молнии передается в землю, где он и гаснет, не причиняя постройкам и человеку никакого вреда.

Так устроены все виды молниеотводов без исключения. Причем два элемента этого устройства все время остаются неизменными – это токоотвод и . На разновидности этих приспособлений оказывает влияние исключительно конструкция приемника молний, о которых мы и поговорим дальше.

1. Стержневой молниеприемник. Это устройство знакомо практически всем жителям частного сектора – оно представляет собой обыкновенную металлическую мачту, поднятую на пару метров над верхним краем . Такая мачта может стоять как на крыше дома, так и немного в стороне от постройки или рядом, вдоль стены дома. Фактически отдельно стоящий молниеприемник в плане изготовления более простой – сама мачта одновременно является и приемником грозовых разрядов и токоотводом. Она напрямую подключается к контуру заземления самым что ни на есть жестким способом (сваркой).

   

   Стержневой молниеотвод фото

2. Линейный, или, как его еще называют, тросовый молниеотвод. Чтобы проще было понять о чем идет разговор, этот молниеприемник можно представить в виде натянутой между двумя небольшими мачтами проволоки или троса – отсюда и его название. В чем основное отличие такого устройства от обычной мачты? В возможности полностью улавливать все разряды молнии, не позволяя даже малой их части попадать на металлические элементы строения. В большинстве случаев такой молниеприемник соединяется с контуром заземления посредством отдельной мощной токоотводящей жилы – это может быть либо медный большого сечения, либо металлическая полоса или прут.

   

   Тросовый молниеотвод фото

3. Сетчатый приемник молний. Его суть заложена в самом названии – такой токоприемник укладывается непосредственно на крышу дома. Сверху из толстых токопроводящих жил создается полноценная сетка, которая и принимает на себя все разряды молнии. Дальше все стандартно – посредством токоотводящего кабеля или толстой стальной полосы (либо прутка) разряды статического напряжения направляются в контур заземления, где и рассеиваются, не причиняя вреда строению.

   

   Сетчатый молниеотвод фото

Этих основных конструкций улавливателей молнии вполне достаточно для того, чтобы полностью защитить свой дом от такого природного явления, как молния.

Молниеотвод в частном доме и его контур заземления

По большому счету, заземление молниеотводов устроено аналогичным образом, как и контур заземления самого дома – здесь следует сразу понять один момент, что эти два контура не должны быть связаны между собой – это два отдельных элемента. Подключив молниеотвод к контуру заземления дома, вы рискуете в один момент потерять не то что все электрооборудование, а и вообще весь дом целиком – для защиты от грозовых разрядов придется оборудовать отдельное заземление.

Изготавливается оно практически точно так же, как и заземление дома, за исключением некоторых отличий.

Как видите, между контуром заземления дома и такой же частью молниеотвода общий только принцип – требования к этим элементам защиты разнятся. Еще один момент, объединяющий эти две системы, заключается в глубине их залегания – верхняя часть контура располагается на глубине 500-800мм над поверхностью грунта.

Устройство молниеотвода: как соединить заземление и приемник молний

Токоотводящая или, правильнее сказать, токопередающая часть молниеотвода является не менее важным элементом, чем его заземление и сам приемник молний – вы только представьте, что случится с домом, если этот элемент устройства просто не выдержит нагрузку и сгорит. В таком случае все грозовые разряды попадут в дом, и тогда от беды может спасти только чудо. Именно по этой причине к токопроводящей шине следует отнестись не менее серьезно, чем ко всему другому. Здесь имеется всего два важных момента, которые нужно соблюсти, как говорится, беспрекословно.

Что же касается крепления токоотводящей жилы к стенам строения, то здесь используются пластиковые клипсы. В идеале, чтобы сохранить молниепровод в целостности в течение долгого времени, его лучше изолировать от окружающей среды, поместив в обыкновенный кабель канал.

В принципе, это все, остается добавить не так уж и много. А именно о таких моментах, как молниезащита отдельных элементов крыши. Если имеется , то вокруг него нужно намотать хотя бы пару витков отводящей ток жилы и соединить ее с общим молниеотводом. Также в защите нуждаются и все элементы кровли, изготовленные из металла – к примеру, отводящие воду желоба и трубы. Только в таком случае изготовленный самостоятельно молниеотвод будет являться надежной защитой дома от грозовых разрядов.

Рис. 1 - Молниеодвод стержневого типа

Конструкция молниеотвода:

1. Молниеприемник стержневого типа (1).
2. Несущая конструкция (2).
3. Токоотвод (3).
4. Заземляющее устройство (4).

Молниеприемник представляет собой главную "цель" для молнии. Поэтому данный элемент рассчитан на то, чтобы выдерживать воздействия мощных импульсных токов молнии, а также значительные механические нагрузки. На несущую конструкцию молниеотвода (громоотвода) устанавливается молниеприемник и крепится токоотвод. Все части громоотвода объединены в прочную и жесткую конструкцию, способную отлично противостоять ветровым нагрузкам, а также прямым ударам молнии. Благодаря несущей конструкции громоотвода, имеющей достаточную механическую прочность и повышенной устойчивостью, исключается падение молниеотвода на энергооборудование и аппаратуру электрических подстанций.

При помощи токоотвода осуществляется соединение молниеприемника и заземляющего устройств: именно токоотвод обеспечивает прохождение импульсных грозовых токов от молниеотвода до заземляющего устройства. Поэтому токоотвод изготавливается с большим запасом прочности, с учётом запредельных тепловых и электродинамических перегрузок, источником которых является ток молнии. Заземляющее устройство необходимо для отвода разряда в землю и уменьшения до приемлемого уровня разности потенциалов в элементах молниеотвода.

Качество молниезащиты энергообъектов в напрямую связано с состоянием заземляющего устройства, а также его конструктивного исполнения. В реальных условиях заземлители могут находиться в различных условиях: сухая почва или влажный грунт, пропитанный солями и кислотами, которые оказывают основное влияние на электропроводимость земли. В тоже время кислоты и соли способствуют усиленной электрохимической коррозии металлических частей заземлителя. Поэтому подбор эффективных материалов и выбор оптимальной конструкции заземляющего устройства должен проводиться с учётом реальных условий, в которых заземляющее устройство будет эксплуатироваться.

Для защиты энергообъектов применяются молниеотводов с опорными конструкциями из дерева, железобетона и металла. Стержневые громоотводы на деревянных опорах чаще всего используются для обустройства молниезащиты энергообъектов подстанций с рабочим напряжением порядка 20...35 кВ. Данный тип молниеотводов имеет высоту до 25 метров и состоит из деревянной опоры (поз. 1) и железобетонных приставок (поз. 2).

На Рис. 2 продемонстрированы классические конструкции громоотводов с деревянными опорными элементами. При высоте молниеотвода свыше 12 метров деревянные опоры имеют составную конструкцию. Для изготовления стоек применяется хвойные породы дерева: сосна, ель, пихта, лиственница с диметром ствола в верхней части более 120 мм. Для продления срока службы опоры обрабатываются специальными составами с антисептирующими свойствами. Особой долговечностью отличаются опоры из лиственницы: таёжная древесина зимней рубки практически не подвержена гниению и может использоваться без дополнительной обработки.

Рис. 2. Конструкции стандартных молниеотводов с деревянными опорами и приставками из железобетона (1 – стойки из дерева; 2 – приставки из железобетона; 3 – молниеприемники).

Для изготовления молниеприемников (поз. 3) применяется сортовой прокат любого профиля, который имеет поперечное сечение более 100 мм2. Рабочая часть молниеприёмника имеет высоту не более 2 500 мм (от места крепления к опоре и верха). Если для молниеприёмника используются металлические трубы – верхний торец трубы наглухо заваривается или закрывается пробкой из металла.

На Рис. 3. показана схема закрепления трубчатого молниеприёмника на деревянную стойку. Для исключения коррозии необходимо все металлические части громоотвода окрашивать защитными красками или применять оцинкованные материалы.

Рис. 3. Способы крепления элементов молниеприемника к деревянной опоре молниеотвода (1 –труба 3/4"; 2 – металлическая скоба; 3 – токоотвод из кругляка; 4 – держатель; 5 – шайба).

Стержневые молниеотводы, смонтированные на деревянные опоры, оснащаются молниеприёмниками различного профиля. Для безопасного пропускания импульсных токов рекомендуется изготавливать молниеприемники из стального проката, который имеет диаметр более 6 мм (круглые стальные прутки) или толщину более 4 мм (угловая или полосовая сталь с поперечным сечением свыше 48 мм2). Крепление тоководов к деревянным опорным стойкам осуществляется посредством специальных скоб. Отдельные части токоотвода соединяются с помощью сварки. Аналогичным способом выполняется соединение токоотвода с молниеприёмником и заземляющим устройством.

Установка молниеотводов на деревянных опорах с использованием деревянных приставок оказалась неэффективной. В песчаных и суглинистых грунтах деревянные части быстро приходили в негодность. Поэтому в настоящее время рекомендуются только железобетонные приставки: прочные и надёжные они отличаются большим сроком службы в сложных условиях. Стержневые громоотводы высотой до 12 метров монтируются на одну железобетонную приставку, а молниеотводы высотой свыше 12 метров устанавливаются при помощи двух приставок из высокопрочного железобетона.

Для создания молниезащиты энергообъектов электрических подстанций (6-35 кВ) применяются стандартные молниеотводы, размещённые на деревянных стойках с приставками из бетона не меньше М 200 и стальной арматуры (СтЗ, Ст5). В поперечном сечении приставки могут иметь форму прямоугольника, круга, трапеции, двутавра или быть многогранными. Соединение железобетонных приставок с деревянными стойками выполняется с использованием скоб с болтами или проволочных бандажей. Опоры заглубляются в землю на глубину 2 000 ...2 500 мм.

Заземляющие устройства для молниеприемников на деревянных стойках выполняются из высококачественных конструкционных сталей. Стандартами установлены следующие размеры минимального сечения (толщины) заземлителей:

• Стальные прутки круглого сечения диаметром не менее 6 мм.
• Полосы прямоугольного сечения – площадь поперечного сечения 48 мм2, толщина полосы 4 мм,
• Уголковая сталь – площадь поперечного сечения 48 мм2, толщина стороны 4 мм,
• Стальные газовые трубы – минимальная толщина стенок 3,5 мм.

Чаще всего для изготовления заземляющих устройств применяются следующие типы материалов:

• Полосовая сталь толщин 4 мм, ширина 20-40 мм.
• Уголковая сталь марки Ст5 и Ст6.
• Стальные трубы диаметром от 50 ...до 80 мм.

Молниеотводы стержневого типа, установленные на ж/б опоры, обладают прочной железобетонной конструкцией и оснащаются металлическим молниеприемником. Ранее использовались стандартные молниеотводы высотой до 16 метров на стойках из сборных ж/б изделий (Рис. 4). Для изготовления 12-ти метровых стоек использовался металлический прокат в форме шестигранника. В верхней части опоры приваривались металлические плиты, предназначенные для размещения молниеприемников круглого сечения, изготовленных из стальных труб. Для защиты от коррозионных процессов молниеприемники покрывались специальной краской или оцинковывались.

Рис. 4. Конструкции стержневых молниеотводов на сборных ж/б опорах (14 ...22 метра)

При высоте опор более 18 метров используются стандартные 12-ти метровые стойки, присоединяемые к железобетонными приставкам (7,5 м). В точках контакта стоек железобетонных опор с приставками к металлической арматуре привариваются стальные плиты. При помощи этих плит производится скрепление стоек с железобетонными приставками. Через отверстия приставки и стойки (Рис. 4) пропускается сквозной болт, который служит монтажным приспособлением и обеспечивает безопасную установку стойки опоры на железобетонные приставки. В настоящее время для стержневых молниеотводов на железобетонных опорах используются унифицированные изделия из стандартного железобетона, которые специально предназначены для установки опор высоковольтных ЛЭП (Рис. 5).

Рис. 5. Конструкции молниеотводов стержневого типа на железобетонных опорах (а – опоры изготовлены из вибробетона; б - для изготовления опор использован центрифугированный высокопрочный бетон).

Молниеотвод без прожекторной площадки (а):

2 – железобетонный подпятник.
3 – оголовок металлический.

Молниеотвод оснащённый прожекторной площадкой (б):
1 – несущая конструкция железобетонной стойки.
2 – железобетонный подпятник.
3 – оголовок металлический.
4 – конструктивный крепёжный элемент.
5 – металлическая часть стойки.
6 – металлический молниеприемник.
7 – площадка с осветительной аппаратурой.
8 – части ограждения прожекторной площадки.
9 – металлическая лестница.
10 – элементы крепления лестницы.

Железобетонные стойки изготавливаются из высокопрочного бетона марки М-300 и выше с металлической арматурой из стали марки СтЗ и Ст5. Для снижения веса стойки опоры внутренняя часть выполнялась полой. Металлическая арматура, расположенная внутри железобетонных стоек и приставок, представляет собой цельную конструкцию и выполняет функции токоотвода. В нижней части стойки (2,5...3 метра от нижнего конца стойки) делается металлический вывод, присоединённый к металлической арматуре. Данный элемент предназначен для соединения металлической арматуры и заземлителя громоотвода. Заземляющие устройства железобетонных молниеотводов стрежневого типа аналогичны заземлителям молниеотводов на деревянных опорах.

Для комплексной и надежной защиты подстанций от прямых попаданий молнии используются стержневые молниеотводы с удлиненными стальными и железобетонными опорами (до 40 м). На электроподстанциях необходимо обеспечить равномерное и достаточное освещение ОРУ и прилегающей территории. Для этого на их территории монтируются осветительные прожектора, размещенные на высоте порядка 10...15 метров. На Рис. 6 показаны громоотводы стержневого типа на железобетонных опорах с прожекторной площадкой (а) и без неё (б).

Стержневые молниеотводы на железобетонных опорах имеют несущую конструкцию на основе полой железобетонной стойки конусообразной формы. В нижней части диаметр стойки равен 800 мм, в верхней части он составляет 500 мм. В качестве токоотвода используется стальная арматура. На верхнем торце стойки устанавливается оголовок (3) и металлическая стойка (5), скреплённые при помощи крепёжного элемента (4). Металлическая стойка изготавливается в форме решётчатой конструкции из стальных уголков (36*4 ...50*5 мм). Длина молниеприемника (6) составляет 5 710 мм; диаметр в верхней части 26 мм. На отметке 710 мм молниеприёмник приварен к стойке. Для повышения общей жесткости молниеприёмника на длине 2 000 мм от верней части опоры к наружной поверхности молниеприёмника по окружности приварены металлические полосы (50*6 мм).

Установка в грунт производится на отметке 3 300 мм: в нижней части опоры закрепляется подпятник (2), закрывающий полую часть. На уровне 200 мм от поверхности земли закрепляется металлический элемент, соединённый с арматурой железобетонной стойки. Данный конструктивный элемент служит в качестве звена, соединяющего молниеотвод и заземляющее устройство.На Рис. 6 (б) показан стержневой молниеотвод с железобетонной опорой и прожекторной площадкой (7).

Конструкция молниеприёмника, железобетонной и металлической стойки (5) аналогичны молниеотводу без прожекторной площадки. Но в отличие от последней, имеется площадка для установки осветительной аппаратуры (7), металлическое ограждение (8) и лестница для обслуживающего персонала (9). Прожекторная площадка изготовлена из стального кругляка толщиной 12 мм. Лестница состоит из уголковой стали (40*4 мм и 50*4 мм), для ступеней использован круглый стальной прокат диаметром 16 мм. Ограждение площадки сформировано из уголков размером 50*4 мм и круглой стали диаметром 20 мм. Железобетонные опоры размещены на глубине 3 500 мм.

Молниеотводы на металлических опорах нашли широкое распространение для защиты электрических подстанций. Основные конструкционные элементы выполняются из высокопрочного стального проката: уголка и полос. Для защиты коррозии наружные металлические поверхности покрываются двумя слоями защитного лака с алюминиевой пудрой (примерно 20%). Молниеотводы стержневого типа размещают отдельно (с собственной системой заземления) или на конструкциях открытых распределительных устройств с соединением с общей системой заземления.

Практический опыт эксплуатации стержневых молниеотводов, размещенных на крышах зданий и сооружений, показал неэффективность подобных решений. Данные конструкции приводят к ускоренному износу кровельных материалов и требуют дополнительных затрат при проведении сервисных и ремонтных работ. В этой связи в настоящее время не установк стержневых молниеприемников на крышах зданий не выполняется.

Рис. 7. Молниеотводы стержневого типа, размещённые на металлических опорах: а – молниеотвод тросовой конструкции; б – несущая конструкция стержневого молниеотвода.

На рис. 7 показаны несущие конструкции стандартных молниеотводов, собранные из отдельных 5-метровых секций. Размерный ряд молниеотводов включает несколько видов: от 10-метровой конструкции (2 секции) до 50-метровой конструкции, в состав которой входит металлический молниеприёмник. Как правило при установке стержневого молниеотвода на нем выполняют площадки для установки освещения. Сейчас применяются стержневые молниеотводы на металлических опорах двух видов: с прожекторной площадкой и без прожекторной площадки.

На Рис. 8 показаны типовые конструкции молниеотводов стержневого типа без прожекторной площадки (а) и с площадкой для размещения прожекторного оборудования (б). Для несущей конструкции молниеотвода без прожекторной площадки применяется высокопрочный стальной прокат с размером уголка от 50*4 до 80*6 мм. Тросостойка (поз. 2) собрана из угловой стали 36*4...50*5 мм. Пятиметровый молниеприемник (поз. 3) изготовлен из круглого стального стержня, диаметр которого составляет 24 мм. В своей нижней части молниеприемник имеет рёбра жесткости (стальные полосы 50*4 мм, приваренные под углом 120° по всей окружности).

Для несущей конструкции стрежневого молниеотвода, имеющего прожекторную площадку, использована угловая сталь, с размером сторон от 65 до 110 мм и толщиной металла 5...8 мм. Из угловой стали 36*4...50*5 мм изготовлена металлическая тросостойка (поз. 2). Пятиметровый молниеприемник (поз. 3) имеет одинаковую конструкцию для стержневых молниеотводов обоих типов (Рис. 8а и Рис.8б). Прожекторная площадка (поз. 4) изготовлена из стального кругляка диаметром 12 мм.

Для металлического ограждения прожекторной площадки (поз. 5) использованы стальные уголки 50*4 мм и круглый прокат диаметром 20 мм. Металлическая лестница (поз. 6) изготовлена из угловой стали (40*4 и 50*4). Её ступени выполнены из кругляка диаметром 16 мм. Одиночные стержневые молниеотводы на металлических опорах всегда монтируются на прочных ж/б фундаментах. В качестве токоотводов применяются несущие стальные конструкции.

Для полноценной защиты энергообъектов современных подстанций используются молниеотводы (громоотводы) с несущими элементами из стального проката (уголки и полосы). Чаще всего конструкция громоотвода состоит из цельнотянутой стальной трубы или более сложной системы из нескольких труб различного диаметра. При высоте молниеотвода свыше пяти метров его основание выполняется в виде решётчатой конструкции из стальных уголков.

Рис. 8. Молниезащита электрических подстанций. Стержневые молниеотводы с металлическими опорами.

Соединение стержневых молниеотводов к конструкциям ОРУ производится разъёмными (хомуты и прочие крепежные элементы) и неразъёмными способами (сварные соединения).

Металлические конструкции современных молниеотводов, используемых для создания комплексной молниезащиты электрических подстанций и других энергообъектов, эффективно выполняют функции токоотводов. Как правило, молниеприёмники громоотводов монтируют на крышах зданий и строений. Чаще всего применяются сетчатые молниеприёмники: металлические сетки эффективной площадью до 150 квадратных метров.

Для изготовления сетки используются стальные прутки толщиной от шести до семи миллиметров. Для обеспечения свободного стока дождя и снега с поверхности кровли молниеприёмники сетчатого типа укладывают между стяжкой крыши и слоями защитной гидроизоляции и теплоизоляции. На Рис. 9. показаны типовые схемы сетчатых молниеприёмников. Для изготовления тоководов применяется стальной прокат в виде прутьев (толщиной от 6 мм) и полос (минимальное сечение 48 мм2 и толщина более четырёх миллиметров).

Рис. 9. Конструкции молниеприемников сетчатого типа (указаны размеры для объектов II категории; размеры в скобках для объектов III категории)

Если система молниезащиты установлена на здании с металлической крышей, то сами листы будут служить в качестве молниеприёмников.
Для подключения токоотводов к листам металлической кровли применяются специальные прижимающие устройства (Рис. 10).

Рис. 10. Конструкция зажима для присоединения молниеотвода к кровле из металлических листов:

Н открытых электрических подстанциях молниеотводы стержневого типа устанавливаются непосредственно на ОРУ или рядом с силовым оборудованием. В первом случае для заземления молниеотводов они соединяются с заземляющим устройством ОРУ, а во втором случае молниеприемники имеют собственное заземление, не связанное с контуром заземления ОРУ.

Заземляющие устройства на электрических подстанциях предназначены для следующих целей:

• Создание безопасных условий для обслуживающего персонала (защитное заземление).
• Присоединение нейтрального провода генераторов и трансформаторов (защитное рабочее заземление).
• Подключение технических средств грозозащиты (разрядников, молниеотводов, громоотводов).

С вышеперечисленными функциями успешно справляется общее заземляющее устройство, характеристики которого подбираются в соответствии с наиболее строгими требованиям. На энергообъектах подстанций защитное заземление является приоритетным по отношению к другим видам заземляющих устройств. Оно полностью удовлетворяет актуальным требованиям к системам грозозащиты и обеспечивает безопасные условия работы для технического персонала энергообъектов подстанций.

Обслуживающий технический персонал электрических подстанций может подвергнуться опасности в случае повреждения защитной изоляции, при этом возникает короткое замыкание, ток которого (Iкз), проходит через заземляющее устройство. На Рис. 11 в виде схемы показан масляный выключатель с металлическим баком, присоединённый к заземляющему устройству (сопротивление заземлителя равняется Ra).

1 – кривая распределения разности потенциалов; 2 – кривая распределения значений напряжения прикосновения.

При пробое изоляции масляного выключателя через элементы заземляющего устройства пойдёт ток Iз. В радиусе 20 м от заземляющего устройства каждая точка будет иметь разность потенциалов. Кривая 1 наглядно демонстрирует распределение разности потенциалов на поверхности земли. На корпусе бака выключателя и на заземляющем устройстве будет потенциал:

Если человек прикоснётся к корпусу бака то на его руках будет потенциал бака и заземлителя, а ноги человека подвергнутся воздействию потенциала UH, величину которого можно определить по кривой 1. Поэтому, на тело человека будет оказывать влияние разность потенциалов UB–UH (напряжение прикосновения Uпр), которое рассчитывается по формуле:

Кривая 2 (Рис. 11) наглядно демонстрирует изменение величины напряжения прикосновения: с приближением к опасному участку уменьшается напряжение прикосновения. Если человек не дотрагивается до поверхности бака, а просто подходит к нему ближе, то его левая и правая нога имеют собственный потенциал – разность значений этих потенциалов именуется шаговым напряжением. Большое напряжение шага и прикосновения представляют серьёзную опасность для здоровья и жизни технического персонала электрических подстанций.

Если сопротивление заземляющего устройства уменьшается, то это приводит к снижению до безопасного уровня напряжений шага и прикосновения, что в свою очередь уменьшает вероятность поражения человека электрическим током.
В целях обеспечения для персонала подстанций безопасных условий предусмотрено нормирование предельных значений стационарного заземления энергообъектов:

• Для оборудования с рабочим напряжением свыше 1 000 В (заземлённая нейтраль, ток однофазного КЗ более 0,5 кА) сопротивление заземляющего устройства не должно превышать 0,5 Ом.
• Для оборудования с рабочим напряжением < 1 000 В (заземленная нейтраль, мощность генераторов и трансформаторов более 100 кВА) сопротивление ЗУ должно быть менее 4 Ом.
• Для оборудования с рабочим напряжением менее 1 000 В (заземлённая нейтраль, мощность генераторов и трансформаторов не более 100 кВ*А) сопротивление заземляющего устройства должно быть не более 10 Ом.
• Для энергообъектов с рабочим напряжением до 1 000 В, имеющих заземленную нейтраль, расчёт величины сопротивления заземления производится по формуле:

Для энергообъектов с рабочим напряжением свыше 1 000 В (незаземленная нейтраль) значение сопротивления заземления рассчитывается по формуле:

где R – максимальное значение сопротивления заземления, Ом;
I – суммарный ток замыкания на землю, А.

На энергообъектах с изолированной нейтралью, в которых отсутствует компенсация ёмкостного тока КЗ, значение емкостного тока достигает нескольких сотен ампер и может продолжаться в течение долгого времени. Величина полного сопротивления ЗУ не должна превышать 10 Ом.

Сопротивление заземления на энергообъектах, имеющих компенсацию емкостных токов рассчитывается по вышеприведённым формулам, однако расчетное значение тока замыкания на землю на 25 % превосходит величину номинального тока. Для тех заземляющих устройств, которые не снабжены тококомпенсирующей аппаратурой, для расчетных целей принимается величина остаточного тока замыкания на землю (не менее 30 А).

Нормированная величина сопротивления заземляющих устройств вполне удовлетворяет действующим требованиям к системам рабочего и грозозащитного заземления. На электрических подстанциях для всех энергообъектов, которые питаются переменным или постоянным током с рабочим напряжением свыше 500 В, в обязательном порядке выполняется защитное заземление.

На промышленных энергообъектах с рабочим напряжением менее 500 В (кроме энергетического оборудования с переменным током не более 36 В) монтаж защитного заземления производится в следующих случаях:

• В помещениях с повышенным уровнем опасности.
• В особо опасных помещениях.
• При размещении оборудования вне помещений.
• На взрывоопасных энергообъектах с напряжением не более 36 В.

Конструкция заземляющих устройств для защиты электрических подстанций состоит из системы стальных электродов (L ≤ 5 м), находящихся в грунте в вертикальном положении. Верхние части заземлителей объединены металлическими полосами, образующими сетчатую систему. Число электродов и размер ячеек сетки определяется расчетным методом. Таким образом, значение стационарного заземления электрических подстанций зависит от:

• Геометрических размеров заземляющих устройств.
• Величины удельного сопротивления грунта.

Любой грунт, находящийся в сухом состоянии, обладает повышенным значением сопротивления растеканию тока. При высокой влажности грунта за счёт электрохимических реакций солей и кислот возникают электролиты, обуславливающие повышенную электропроводимость грунта, которая напрямую связана с влагоёмкостью почвы. Приближенные значения удельных сопротивлений типичных грунтов приведены в Таблице 1:

Таблица 1. Удельные сопротивления грунта.

При расчетах характеристик заземляющих устройств следует обращать внимание на взаимосвязь между удельным сопротивлением грунта и временем года. При измерениях удельного сопротивления грунта в зимнее время, необходимо применять сезонный коэффициент k. Для расчета заземления системы молниезащиты энергообъекта удельное сопротивление грунта также определяется с учетом сезонном коэффициента k, которые позволяет получить корректное значение удельного сопротивления.

Расчётное значение для сезонного коэффициента k приведено в Таблице 2 (зависит от влажности грунта):

Таблица 2. Значение сезонного коэффициента k в зависимости от влажности почвы

Стационарное сопротивление заземляющего электрода RD, находящегося в грунте в вертикальном положении (сопротивление растекания тока), определяется по следующей формуле:

где ρ – значение удельного сопротивления грунта, Ом-м.
L – длина заземляющего электрода, м.
d – внешний диаметр горизонтального электрода, м.

Стационарное сопротивление для горизонтального заземлителя на расчётной глубине рассчитывается по нижеприведённой формуле:

где L – длина горизонтального заземляющего электрода, м.
ρ – удельное сопротивление почвы, Ом-м.
d – диаметр горизонтального электрода, м.
t – глубина погружения заземляющего электрода в почву, м.

Согласно вышеприведённым формулам, у одиночного вертикального стержня (L=2,5...3.0 метра) в суглинистой почве (ρ =100 Ом*м) будет сопротивление около 30 Ом. Металлическая горизонтальная полоса (L=5,0 метра), находящаяся на глубине около 70 см, будет иметь стационарное сопротивление порядка 25 Ом. Расчетные значения показывают, что одиночные заземляющие устройства совершенно не удовлетворяют требованиям, которые предъявляются к сопротивлению заземляющих устройств, входящих в систему молниезащиты электрических подстанций.

Поэтому, для обустройства эффективной системы заземления промышленных энергообъектов применяются заземляющие устройства, состоящие из множества горизонтальных и вертикальных заземлителей. При создании системы заземления необходимо учитывать эффект взаимного экранирования – при небольшом расстоянии между соседними электродами возрастает сопротивление отдельно взятого заземлителя.

При движении тока по заземляющему электроду вокруг одиночного электрода возникают линии тока, обладающие правильной и равномерной структурой. В заземляющей системе, где имеется множество вертикальных или горизонтальных электродов, образуются неоднородности, связанные с взаимным влиянием линий тока соседних электродов (Рис. 12).

Рис. 12. Линии тока в заземлителе сложной формы при небольшом расстоянии между смежными электродами

Для корректного определения значения сопротивления электрода в заземляющем устройстве сложной формы (при наличии эффекта взаимного экранирования заземляющих электродов) применяется коэффициент использования заземлителя. Данный коэффициент меньше единицы и непосредственно связан с конструкцией электродов. В Таблице 3 представлены значения коэффициента использования Чтр для заземлителей трубчатой формы (электроды расположены в ряд; влияние связывающей полосы не учитывается).

Таблица 3. Определение коэффициента использования Чтр в зависимости от количества металлических труб и отношения расстояния между данными трубами к их длине.

В Таблице 4 представлены значения коэффициента использования ηn для заземляющих устройств трубчатой формы (электроды размещены в ряд и объединены между собой стальной полосой).

Таблица 4. Определение коэффициента использования трубчатых заземлителей.

Для создания эффективных заземлителей, предназначенных для защиты электрических подстанций, применяются искусственные и естественные заземляющие устройства, эксплуатирующиеся совместно с молниеотводами (громоотводами). Искусственные конструкции представляют собой металлическую сетку из стальных полос, расположенных в горизонтальной плоскости параллельно и перпендикулярно друг другу. При помощи полос все вертикальные заземляющие электроды соединяются в единый контур системы заземления энергообъекта.

Расчет сложного контура является трудоёмкой работой, требующей проведения большого объёма вычислительных операций. Для упрощения расчётов применяется более простая формула:

Значения коэффициента А, определяемые в зависимости от соотношения lf\/S, представлены таблице 5:

Таблица 5. Значения коэффициента А.

Эквивалентное удельное сопротивление почвы ρэ рассчитывается по кривым, приведенным на Рис. 13. Кривые зависимости, определяющие эквивалентное удельное сопротивление ρэ, соотнесённые к удельному сопротивлению 2-го слоя грунта ρг зависят от геометрических размеров и формы заземляющего контура, а также от глубины размещения электродов в грунте. Представленные кривые построены для различных соотношений между ρi и ρa.

Исходя из фактических размеров заземляющего устройства и метода размещение его в грунте, по кривым из Рис. 13 можно рассчитать эквивалентные удельные сопротивления ρэ. Эти кривые построены для различных типов заземляющих контуров, с учётом влияния неоднородности грунта на полное сопротивление заземлителя и действительное напряжение прикосновения. В качестве естественных заземляющих устройств для энергообъектов электрических подстанций можно привести:

• Системы заземлений опор ЛЭП, подключенные с помощью троса к заземлению подстанции.
• Металлические оболочки подземных кабелей.
• Металлические трубопроводы различного назначения.

Рис. 13. Расчёт относительного эквивалентного удельного сопротивления с учётом неоднородности грунта в точке заземления молниеотвода (громоотвода).

Выполненные расчёты показали, что обустройство защитных заземлений, обладающих минимальным сопротивлением в 0,5 Ом, в отдельных случаях связано с известными сложностями (большие значения удельного сопротивления грунта, незначительная площадь электрических подстанций и пр.), однако в других случаях можно обеспечить безопасные напряжения на электрооборудовании с заземленной нейтралью при сопротивлении, большем, чем 0,5 Ом.

Данное обстоятельство позволяет сэкономить немалое количество дорогостоящего металла при монтаже систем заземления электрических подстанций. В настоящее время действуют нормы, устанавливающие предельно допустимое напряжение на заземляющем проводнике и величину напряжения прикосновения, связанные с длительностью воздействия тока КЗ, которая состоит из времени включения релейной защиты и времени срабатывания выключателя:

Таблица 6. Наибольшее допустимое напряжения прикосновения.

Предельно допустимое значение напряжения на заземлителе не должно быть более 10 000 В. При расчёте систем защитного заземления распределительного электрооборудования и трансформаторных подстанций, с рабочим напряжением более 1 000 В (глухозаземлённая нейтраль) можно руководствоваться актуальными нормами, регламентирующими максимальное допустимое напряжение на заземляющем проводнике и допустимое напряжение прикосновения, которые обеспечивают должный уровень безопасности технического персонала электрических подстанций.

Комплексное заземление энергообъектов электрических подстанций всегда удовлетворяет требованиям стандартов, имеющих отношение к рабочим заземлениям и к системам заземлений средств молниезащиты. Однако при объединение средств грозозащиты и защитных заземлений электрических подстанций следует помнить о следующих особенностях. Все защитные и рабочие заземляющие устройства рассчитаны для отвода токов промышленной частоты.

Сопротивление заземлителей является стационарной величиной, между тем через систему молниеотводов проходит импульсный ток молнии, который по своим вольт-амперным и частотным характеристикам в корне отличается от токов КЗ. При прохождении через заземляющий проводник импульсного тока молнии возникают экстремальные условия, которых не наблюдаются при прохождении тока 50 Гц. При отводе импульсных токов грозового разряда через заземляющее устройство рядом с поверхностью заземляющих электродов отмечается исключительно высокая напряженность электрического поля, которая легко пробивает слой грунта. Вокруг заземляющего проводника возникает токопроводящая зона искрения, приводящая к увеличению эффективного поперечного сечения электрода, за счёт которого снижается общее сопротивление заземлителя.

Однако максимальное снижения сопротивления за счет искрообразования отмечается только в тех случаях, когда заземляющие электроды обладают небольшими геометрическими размерами, а индуктивное сопротивление проводников не оказывает заметного влияния на процесс отвода тока молнии в грунт. Подобные заземлители относятся к сосредоточенным. Величина сопротивления сосредоточенных заземлителей при импульсных процессах намного меньше, чем при прохождении тока с промышленной частотой.

При значительной длине заземляющего устройства индуктивность проводника оказывает серьёзное влияние на процесс отвод импульсного тока молнии в грунт. Степень влияния индуктивности возрастает при уменьшении продолжительности импульса тока молнии, при снижении удельного сопротивления земли и при увеличении протяжённости заземляющих проводников.

При прохождении импульсного тока молнии через заземляющее устройство значительной протяженности последнее можно представить в виде проводника, состоящего из двух частей, разделённых индуктивным сопротивлением (Рис. 14). При моментальном увеличении силы тока грозового разряда (крутая характеристика фронтального импульса) индуктивность заземлителя будет замедлять движение тока в проводнике. Отдалённые части заземляющего устройства (отрезок Б-В) с запозданием включаются в процесс отвода токов импульсного перенапряжения в грунт и поэтому снижают общую эффективность заземлителя. Подобные заземляющие устройства называются протяжёнными.

Протяжённые заземлители характеризуются повышенным сопротивлением при прохождении импульсного тока грозового разряда, которое превышает величину сопротивления при прохождении по заземлителю токов с промышленной частотой. Поэтому штатные выносные заземляющие устройства электрических подстанций, которые устанавливаются в низменным местах (реки, озёра, болота) и обладают низким сопротивлением, совершенно не пригодны для отвода импульсных токов значительной мощности.

Для учёта изменений сопротивления заземляющих устройств в зависимости от линейных размеров заземлителей при прохождении через них импульсных грозовых токов применяется импульсный коэффициент Хи. Данный коэффициент представляет собой отношение импульсного сопротивления Zи к значению стационарного сопротивления R при прохождении по заземлителю токов промышленной частоты.

Рис. 14. Схема функционирования заземлителя протяженной конструкции при отводе грозового заряда в землю

Величину импульсного сопротивления Zи можно определить по формуле:

Коэффициент импульса заземлителя принимает различные значения (он может быть больше, меньше или равен единице) и зависит от того, какой процесс в проводнике при прохождении тока молнии проявляется в большей степени: искрообразование или индуктивное сопротивление. При значительном искрообразовании и слабой индуктивности заземляющего устройства (сосредоточенные заземлители) сопротивление проводника уменьшается, поэтому значение коэффициента импульса будет меньше единицы. При высокой индуктивности (протяженные заземляющие устройства) величина коэффициента импульса превышает единицу.

Если эффект искрообразования и величина текущей индуктивности гасят друг друга, тогда коэффициент импульса равняется единице. Значение импульсного коэффициента стационарных заземляющих устройств связано не только с их геометрией и линейными размерами, но и зависит от величины удельного сопротивления почвы ρ и мощности тока грозового разряда. На рис. 15 в виде кривых представлена зависимость импульсного коэффициента для вертикальных заземлителей от характеристики почвы ρ и параметров тока молнии.

Как видно из приведенных графиков, с возрастанием силы импульсного тока молнии, проходящего через заземляющий проводник и при увеличении удельного сопротивления почвы, отмечается снижение значений импульсного коэффициента. При значительных амплитудах грозовых токов возрастает их плотность, что обеспечивает условия для формирования и развития искровой зоны вокруг проводника, а также приводит к уменьшению его сопротивления.

Рис. 15. Определение импульсных коэффициентов для заземлителей вертикального типа.

При росте удельного сопротивления грунта происходит развитие искровой зоны, величина которой находится в прямой зависимости от пробивной напряженности грунта Епр. Минимальное значение Ещ встречается в грунтах, обладающих удельным сопротивлением ρ=500 Ом*м.

При продолжительности предразрядного времени порядка 3...5 мкс Ещ = 6...12 кВ/см. Следует помнить, что при прохождении импульсного тока грозового разряда через контур защитного заземления электрической подстанции, который имеет значительные линейные размеры, данный контур будет вести себя как протяжённое заземляющее устройство. В этом случае импульсное сопротивление может превысить значение стационарного сопротивления, вследствие преобладания индуктивности проводника над искровыми процессами.

Рис. 16 Значения импульсного и стационарного сопротивления заземляющего устройства электрической подстанции

На рис. 16 показано изменение значений импульсного и стационарного сопротивления заземляющего устройства электрической подстанции в зависимости от размеров заземляющего контура и удельного сопротивления почвы. Заземляющее устройство в виде металлической сетки общей площадью S = 6 400 м2 (сторона контура 80 м), включающее 16 вертикальных электродов (L = 8 метров), при удельном сопротивлении грунта вблизи электрической подстанции ρ = 400 Ом*м обладает стационарным сопротивлением R равным 2,2 Ом, а импульсное сопротивление в этом случае составляет Zи = 2,5 Ом (при мощности грозового импульса 100 кА и времени разряда τ=6 мкс).

Заземляющий контур с сеткой площадью S = 400 м2 (сторона контура 20 м), состоящий из 4 вертикальных электродов (L = 8 м) при величине удельного сопротивления грунта ρ = 400 Ом*м обладает сопротивлением R= 6,9 Ом и Zи=6,1 Ом. Если в первом примере (S = 6 400 м2) величина импульсного сопротивления превосходит стационарное, то во втором примере (S = 400 м2), значение стационарного заземления превышает значение импульсного заземления.

Исходя из Рис. 16 можно сделать вывод, при увеличении площади заземляющего контура, происходит заметное снижение обоих видов сопротивления: как импульсного, так и стационарного. В заземлителях сложной формы эффект взаимного экранирования проводников отмечается при протекании импульсных токов и токов промышленной частоты. Между тем коэффициент использования заземлителей сложной формы при прохождении через них импульсных грозовых токов имеет меньшее значение, чем при протекании токов промышленной частоты.

Таким образом, при монтаже стержневых молниеотводов на конструкциях ОРУ электрических подстанций, когда заземляющим устройством для молниеотвода (громоотвода) служит заземляющий контур энергообъекта, который имеет значительные геометрические размеры то подобное заземляющее устройство принято считать протяженным. При необходимости заземления отдельных молниеотводов стержневого типа производится обособленное заземление, которое не связано с общим заземляющим контуром подстанции.

В Таблице 7 приведены типовые конструкции заземляющих устройств, которые при минимальной металлоёмкости обеспечивают импульсное сопротивление 10 Ом при попадании грозового разряда с импульсом 100 кА в грунты, обладающие удельным сопротивлением ρ от 100 до 650 Ом*м.

Таблица 7. Конструктивные варианты заземляющих устройств.