3.1. Общие положения

Защитные функции молниеотводов различных конструкций, как отмечалось ранее, основываются на свойстве молнии с большей вероятностью поражать более высокие и хорошо заземленные металлические предметы по сравнению с другими, отличными по электропроводности и степени заземления предметами.

Молниеотвод, установленный рядом с домом или на доме (над домом), принимающий на себя разряд молнии, представляет собой возвышающееся над домом металлическое устройство, состоящее из молниеприемника, токоотвода и заземлителя.

Для защиты жилых домов от прямых разрядов молнии рекомендуется преимущественное применение стержневых (реже тросовых) молниеотводов.

Однако в определенных условиях могут успешно применяться другие типы (конструкции) молниеотводов, использующие естественные элементы конструкций дома как в качестве молниеприемников (металлическая кровля, металлические фермы и т.п.), так и в качестве несущей конструкции (кровля с неметаллическим покрытием) для размещения на них молниеприемников (молниеприемная сетка, струна).

Стержневые молниеприемники закрепляются на самостоятельных несущих конструкциях, устанавливаемых отдельно, или непосредственно на доме.

А тросовые - в виде горизонтально подвешенных над домом проводов (тросов), также закрепляемых на самостоятельных несущих конструкциях или на конструкциях, установленных на доме.

Степень защищенности дома от поражения молнией определяется вероятностью прорыва молнии к элементам защищаемого дома, минуя молниеотвод. Вероятность прорыва молнии равняется отношению числа разрядов молнии в защищаемый дом к общему числу разрядов молнии в молниеотвод и защищаемый дом.

Расчет молниезащиты ведется по зонам защиты. Вероятность прорыва молнии к дому, расположенному внутри зоны защиты, не должна превышать допустимой (выбранной) величины.

Очертания и размеры зоны защиты определяются числом, высотой и взаиморасположением молниеотводов и зависят от допускаемой (выбранной) вероятности прорыва молнии.

Зона защиты будет тем меньше, чем меньше выбранная вероятность прорыва молнии, которую должен обеспечить молниеотвод.

Пространство между молниеотводами (если их два) защищено более надежно, чем с внешней стороны молниеотводов. Защитное действие молниеотводов снижается с увеличением высоты защищаемого дома.

Зоны защиты, наиболее характерные для высот индивидуальных жилых домов, коттеджей и хозпостроек, в основном обеспечиваются стержневыми молниеотводами высотой не более 30 м.

Эти зоны проверены многолетним опытом эксплуатации и обеспечивают достаточную надежность защиты от прорыва молнии в обход молниеотвода.

В дальнейшем изложении всех требований к молниеотводам и расчетов защитных зон речь идет только о молниеотводах высотой до 30 м.

3.2. Зоны защиты стержневых молниеотводов

По простоте изготовления и небольшой стоимости, как обеспечивающие высокую эксплуатационную надежность, стержневые молниеотводы получили наибольшее распространение. Эти молниеотводы отличаются наглядной и легко определяемой защитной зоной.

А. Одиночный стержневой молниеотвод

Зона защиты одиночного стержневого молниеотвода имеет форму, показанную на рис. 19.

Для молниеотводов высотой h ≤ 30 м коэффициент защиты одиночного стержневого молниеотвода равен:

(1)

где: r_x - радиус защиты на высоте h_x;

h - высота молниеотвода;

h_x - высота защищаемого объекта;

h_a = h - h_x - активная высота молниеотвода.

Решая уравнение (1) относительно r_x, получим формулу^* для определения радиуса защиты молниеотвода при заданной его высоте:

(2)

^* При расчете защитных зон использовать формулы Приложения I настоящей книги (Приложение 3 к РД)

Принимая высоту молниеотвода h для защиты объекта определенной высоты, вычисляем радиус зоны защиты r_x. Если полученная зона перекрывает по ширине защищаемый объект, значит высота молниеотвода выбрана верно.

Рисунок 19. Зона защиты одиночного стержневого молниеотвода

Рисунок 20. Зона защиты здания одиночным стержневым молниеотводом

Рисунок 21. Зона защиты одиночного молниеотвода:

1 - упрощенное построение; 2 - зона защиты, построенная по формуле (2).

Если же ширина зоны недостаточна, то надо увеличить высоту молниеотвода и сделать расчет вторично, и так до тех пор, пока не будет подобрана необходимая высота молниеотвода.

В целях упрощения выбора высоты молниеотводов приводится номограмма рис. 22, по которой, зная высоту защищаемого объекта и необходимый радиус зоны защиты на этой высоте r_х, определяем высоту молниеотвода.

Или, наоборот, зная высоту молниеотвода и высоту защищаемого объекта, можно определить радиус зоны защиты на этой высоте.

Пример. Дом размером 10´6 м и высотой до конька крыши h_x1 = 9 м до карниза h_x2 = 7 м защищается отдельно стоящим стержневым молниеотводом, установленным на расстоянии 2 м от него. Нужно определить необходимую высоту молниеотвода (рис. 20).

Вычерчиваем в масштабе план здания, размещаем на плане место установки молниеотвода. Определяем графически необходимый радиус зоны защиты на высоте конька крыши r_х1 = 7,1 м.

По номограмме рис. 22 для определения высоты одиночного стержневого молниеотвода отыскиваем точку пересечения r_х1 = 7,1 м и h_x1 = 9 м, опускаем вертикаль до пересечения со шкалой h и определяем необходимую высоту молниеотвода h = 16 м.

Проверяем зону защиты на высоте карниза крыши h_x2 = 7 м. Проводим вертикаль через точку, соответствующей по шкале h = 16 м, до пересечения с наклонной прямой h_x1 = 7 м и из этой точки проводим горизонталь до пересечения со шкалой r_х, получаем значение r_х2 = 10,0 м. Наносим на план здания зону такого радиуса, карниз здания полностью попадает в зону защиты h_x2 = 7 м. Следовательно, высота молниеотвода h = 16 м выбрана верно.

Принятые в нашей стране способы определения зон защиты молниеотводов выполнены на основании трудоемких и подробных исследований. Однако при определении были допущены ряд условностей. В связи с этим нет необходимости в точном определении очертания защитных зон, особенно усложненного при двух молниеотводах.

В практике для молниеотводов высотой до 30 м можно воспользоваться упрощенным построением защитных зон.

Упрощенное построение, например, зоны защиты одиночного молниеотвода показано на рис. 21. Образующая поверхности, ограничивающей зону защиты, представляет собой ломаную линию 1. На этом же рисунке для сравнения показана зона защиты, построенная по формуле (2).

В стандартах МЭК на молниезащиту зданий при высоте молниеотвода до 20 м для упрощения выбора защитной зоны одиночного стержневого молниеотвода приняты защитные углы в 55° и 45° соответственно для IV и III категорий защиты.

С увеличением высоты молниеотвода угол защиты меняется. Так, при высоте молниеотвода до 30 м, он уже 45°, до 40 м - 35° и т.д.

При определении необходимой высоты молниеотвода для молниезащиты конкретного дома, коттеджа или хозпостройки одиночным стержневым молниеотводом можно воспользоваться рекомендацией стандарта МЭК с последующей, после выбора высоты молниеотвода, проверкой ее по формуле или номограмме.

Б. Двойной стержневой молниеотвод

Зона защиты двух стержневых молниеотводов одинаковой высоты имеет очертания, показанные на рис. 23.

Радиус защиты r_x и, следовательно, коэффициент защиты K_х для внешней области зоны защиты определяются также, как и у одиночного молниеотвода.

Наименьшая ширина зоны защиты r_сх между молниеотводами определяется из соотношений, и  , для чего воспользуемся номограммой рис. 24.

Наименьшая ширина зоны защиты r_сх для молниеотводов высотой до 30 м, между ними равна нулю при, (где L - расстояние между молниеотводами).

Рисунок 22. Номограмма для определения высоты одиночного стержневого молниеотвода

Рисунок 23. Зона защиты двух стержневых молниеотводов одинаковой высоты

Рисунок 24. Значение наименьшей ширины r_сх зоны защиты двух стержневых молниеотводов высотой h для   

Минимальная высота зоны защиты между молниеотводами Радиус R, которым очерчивается контур зоны защиты в области между молниеотводами, легко определяется графическим построением по трем точкам окружности (см. рис. 23).

Метод определения высоты двойного стержневого молниеотвода по номограмме рис. 24 требует неоднократных расчетов.

Пример. Необходимо определить высоту двух стержневых молниеотводов для защиты здания прямоугольной формы, указанного на рис. 25.

Исходные данные: длина здания - 24 м, ширина 18,0 м, высота до карниза крыши h_x1 = 9 м, высота до конька крыши h_x2 = 12 м.

Вычерчиваем план здания в масштабе и наносим наиболее удобное расположение молниеотводов. Определяем по плану расстояние между молниеотводами и получаем L = 30 м.

Рисунок 25. Зона защиты здания двумя стержневыми молниеотводами

Линия конька крыши в нашем примере совпадает с линией, соединяющей оба молниеотвода, поэтому наименьшую зону защиты между молниеотводами можно принять для h_x2 = 12 м, 2r_сх = 0.

При этом ,  Из этого соотношения определяем  

Находим полную высоту молниеотводов:

h = h_x2 + h_a = 12 + 2,5 = 14,5 м.

Округляем до величины большего стандартного молниеотвода и принимаем h = 15 м. Проверяем достаточность ширины зоны защиты молниеотводов 2r_сх1 на уровне карниза крыши h_x1 = 9 м, для чего определяем активную высоту молниеотводов:

h_а = h - h_ч1 = 15 - 9 = 6 м.

а также соотношения: 

По номограмме рис. 24 на горизонтальной шкале L отыскиваем деление 5,0 и из этой точки восстанавливаем перпендикуляр до пересечения с кривой h_х = 0,6. Из точки пересечения проводим горизонтальную прямую до пересечения со шкалой  Получаем значение 0,45.

Из соотношения  определяем половину наименьшей ширины зоны защиты:

r_сх1 = 0,45´h_a = 0,45´6 = 2,7 м или

2r_сх1 = 2´r_сх1 = 2´2,7 = 5,4

Дом имеет ширину 18,0 м, следовательно, молниеотводы высотой 15 м недостаточны для его защиты.

Задаемся молниеотводом большей высоты. Принимаем h = 20 м и аналогично определяем для h_x1 = 9 м, 2r_сх1 = 18,26 м; h_x2 = 12 м, 2r_сх2 = 10,4 м.

Радиус внешней зоны защиты для двойного молниеотвода определяем, как и для одиночного, по формуле:  

Получаем для h_x1 = 9 м, r_x = 12,1 м; для h_x2 = 12 м, r_x = 8 м.

Выполняя построение зон защиты молниеотводов графически, видим, что все здание защищается. Следовательно, молниеотводы высотой 20 м можно принять для грозозащиты рассматриваемого здания.

Для удобства расчетов можно воспользоваться номограммой для определения высоты двойного стержневого молниеотвода (см. рис. 26), которая позволяет при заданных h_a, L и r_сх сразу определить необходимую высоту молниеотвода.

Пример. Необходимо определить высоту стержневых молниеотводов при защите дома двумя молниеотводами и размерах защищаемого дома: высоте до карниза крыши h_х1 = 9 м, до конька крыши h_x2 = 12 м, длине 24 м, ширине 18,0 м. Молниеотводы устанавливаются на расстоянии 3 м от стены дома по длинной оси. Дом, подлежащий молниезащите, вычерчиваем в масштабе и наносим места установки молниеотводов (см. рис. 25).

По чертежу определяем наименьшую ширину зоны защиты между молниеотводами на уровне h_x1 = 9 м, 2r_сх = 20 м, (r_сх = 10 м), расстояние между молниеотводами L = 30 м.

По номограмме рис. 26 для определения высоты двойного стержневого молниеотвода соединяем линией точки, лежащие на прямолинейных шкалах r_сх = 10 м и L = 30 м, в точке пересечения с кривой h_x1 = 9 м проходит прямая h_а1 = 10 м, следовательно, полная высота молниеотвода

h = h_х1 + h_а1 = 9 + 10 м = 19 м.

Рисунок 26. Номограмма для определения высоты двойного стержневого молниеотвода

Для определения наименьшей ширины зоны защиты между молниеотводами на уровне конька крыши h_х2 = 12 м находим:

h_а2 = h - h_х2 = 19 - 12 = 7 м.

По номограмме соединяем линией точку прямолинейной шкалы L = 30 м с прямой h_a2 = 7 м, в точке ее пересечения с кривой h_x2 = 12 м на шкале r_сх линия пересекается с точкой 5,5 м. Минимальная ширина зоны защиты двойного стержневого молниеотвода на высоте h_x2 = 12 м, 2r_сх2 = 11 м, что полностью перекрывает защищаемый объект на этой высоте. Следовательно, высота молниеотвода для защиты объекта достаточна.

Принимаем ближайшее значение стандартной высоты молниеотвода h = 20 м. Для графического построения зоны защиты молниеотводов необходимо аналогично вышеизложенному определить 2r_сх для h_x1 = 9 м и h_х2 = 12 м, а радиус внешней зоны защиты молниеотводов легко определить по номограмме по методу, изложенному для случая одиночного стержневого молниеотвода или соответствующей номограмме.

Сравнивая результаты первого и второго расчетов для выбора высоты молниеотводов можно сделать вывод, что ошибка может быть незначительной. Поэтому, пользуясь номограммой, выбираем высоту предварительно. Затем уточняем расчетом.

3.3. Зоны защиты тросовых молниеотводов

1) Конфигурация зоны защиты одиночного тросового молниеотвода показана на рис. 27.

Расчет параметров зоны по первому методу производится по формулам:

r_x = 1,25(h_mp - 1,25h_x), м (3)

(при h_х ≥ 0 и h_х ≤ 2/3h_тр);

r_х = 0,625(h_mp - h_x), м (4)

(при h_х > 2/3h_mp).

Рисунок 27. Зона защиты одиночного тросового молниеотвода:

1 - положение троса в зоне закрепления; 2 - положение троса в середине пролета (с учетом стрелы провеса).

При этом полная ширина зоны защиты (по аналогии со стержневыми молниеотводами именуемая радиусом защиты) при h_x = 0 определяется из выражения

2r_x = 2,5h_тр, м,                                                              (5)

где h_тр - высота троса (с учетом его стрелы провеса) над защищаемым домом, м.

На рис. 28 приведена номограмма, по которой в зависимости от заданных величин h, h_x и L можно легко найти искомое значение r_x.

Торцевые области зоны защиты тросового молниеотвода определяются по расчетным формулам или кривым, применяемым для построения зон защиты одиночных стержневых молниеотводов.

Второй метод расчета предусматривает определение радиуса защиты r_x по формуле

(6)

где h_тр в общем случае определяется из выражения

h_тр = h - f, м,                                                                 (7)

где f - стрела провеса троса над защищаемым домом в середине пролета, м;

h - точка подвеса троса на несущей конструкции молниеотвода, м.

Рисунок 28. Номограмма для определения радиуса защиты одиночного тросового молниеотвода (первый метод расчета)

Принимаемая для расчета стрела провеса троса соответствует температуре грозового режима. Многочисленные наблюдения в различных областях страны показывают, что эта температура в зависимости от характера грозы (тепловая или фронтальная) и района ее возникновения часто колеблется в довольно широких пределах (от +5 до +30°С и выше).

Действующими нормативными источниками температура грозового режима применительно к молниезащите зданий и сооружений не регламентирована. При проектировании воздушных линий электропередачи ПУЭ 7-го издания рекомендует принимать температуру режима атмосферных перенапряжений t = +15 °С. Эта величина расчетной температуры применительно к таким сооружениям, как линии электропередачи, являются оптимальной как с точки зрения технико-экономических, так и эксплуатационных показателей.

При проектировании тросовых молниеотводов, применяемых для защиты зданий, к выбору расчетной температуры грозового режима следует подходить несколько иначе. Учитывая меньшие, чем на линиях электропередачи, пролеты тросовых молниеотводов, повышение расчетной температуры грозового режима, например, до +40 °С, не окажет сколько-нибудь существенного влияния на экономику. С другой стороны, введение в расчет максимальной температуры воздуха, при которой стрела провеса троса наибольшая, значительно повысит надежность молниезащиты. Следует отметить также, что тросовый молниеприемник, находясь постоянно под воздействием тех или иных атмосферных явлений (ветер, гололед, температурные колебания), со временем частично теряет свои первоначальные параметры, заданные расчетом. Поэтому некоторый запас, связанный с повышением расчетной температуры грозового режима до вероятного ее значения, можно считать оправданным.

Учитывая изложенное, за максимальную стрелу провеса троса f будем принимать значения ее, соответствующие температуре окружающего воздуха t = +40 °С.

Величина F в любой точке пролета тросового молниеотвода определяется по формуле:

(8)

f - стрела провеса троса в середине пролета, м, (рис. 29);

l₁ - расстояние от несущей конструкции подвеса троса до рассматриваемой точки, м.

Рисунок 29. Кривые стрел провеса тросов:

1 - трос С-35 I район гололедности (Р.Г.); 2 - II Р.Г.; 3 - III Р.Г.

Известно, что грозовым разрядам, как правило, предшествуют сильные порывы ветра, которые способны вызвать отклонение тросов, имеющих практически шарнирное закрепление, в результате чего защищаемый дом может оказаться вне зоны защиты, если параметры последнего будут рассчитаны без учета действия ветра. Тем самым в наиболее опасные, с точки зрения поражения дома, моменты грозового периода может быть обеспечен свободный прорыв прямого разряда молнии в защищаемый дом.

В связи с этим при расчете параметров зоны защиты тросовых молниеотводов (особенно при больших скоростях ветра) следует обязательно учитывать возможные отклонения тросов под воздействием ветрового напора.

Отклонение троса применительно к условиям грозового режима определяется соотношением

(9)

где φ - угол отклонения троса, град;

γ₄ - удельная нагрузка на трос от давления ветра, кгс/м · мм²;

γ₆ - удельная нагрузка от собственного веса троса и давления на него ветра, кгс/м · мм².

Значения γ₄ и γ₆ при различных величинах скорости ветра для тросов различного сечения приведены в табл. 1. Горизонтальная проекция отклоненного троса в любой точке пролета (рис. 30) равна:

С = f_nsinφ, м (10)

здесь f_n - стрела провеса троса в рассматриваемой точке тросового молниеприемника, м.

Таблица 1

Величины удельных нагрузок тросов

Марка троса	Скорость ветра, м/сек	Удельные нагрузки, кгс/м · мм2 · 10-3
		γ4	γ6
С-35	20	6,72	10,85
	25	8,95	12,36
	30	11,33	14,17

Величина f_n определяется из формулы (8)

Рисунок 30. К расчету отклонения тросового молниеприемника:

1 - первоначальное положение троса; 2 - положение троса в отклоненном состоянии; 3 - несущие конструкции молниеотвода.

При расчетах тросовых молниеприемников иногда необходимо учитывать также увеличение высоты молниеприемника h_тр при его отклонении под воздействием ветрового напора на некоторую величину Δh_тр.

В ряде случаев, особенно при больших скоростях ветра, для пролетов свыше 100 м и определенном сочетании геометрических форм защищаемого дома значение Δh_тр может быть настолько существенным, что ввод в расчет этой величины становится необходимым. Значение Δh_тр для таких условий следует вычислять по формуле

(11)

Таким образом, высота тросового молниеприемника в отклоненном положении в общем случае определится выражением

h'_mp = h_mp + Δh_mp, м.                                                   (12)

Из приведенных выше соображений по расчету зоны защиты тросового молниеотвода становится понятным, что: 1) расчетом должен заниматься специалист; 2) сложность конструктивного исполнения тросового молниеотвода, его влияние на архитектурные формы дома и высокая стоимость не приведут к массовому применению. Поэтому примеры расчета в книге не приводятся.

3.4. Зона защиты сетчатого молниеотвода

Сетчатые молниеотводы обладают достаточно высокой степенью надежности молниезащиты и по своим экономическим показателям, связанным с расходом металла, могут превосходить стержневые и тросовые молниеотводы. Однако в некоторых случаях, при невозможности использования других типов молниеотводов, они могут оказаться даже экономически выгодными или единственно возможными по конструктивным соображениям, или ради сохранения эстетического (архитектурного) облика дома. Сетчатые молниеотводы устанавливаются на защищаемом доме. Их защитная зона - все, над чем они установлены (см. рис. 31).

Основными недостатками сетчатых молниеотводов можно считать следующие:

1. Повышенный расход металла;

2. Невозможность непосредственной укладки по сгораемым кровлям;

3. Необходимость укрытия под кровлю для обеспечения беспрепятственной чистки кровли от снега и льда;

4. Возможный прожог кровельного материала при прямом разряде молнии;

5. Необходимость удаления заземленных элементов в доме от сетки и токоотводов на расстояние до 1 м из-за возможных перекрытий во время разряда молнии;

6. Необходимость установки стержневых молниеприемников на выступающих над сеткой конструктивных элементах дома (дымоходы, трубы, антенны и т.п.).

3.5. Зона защиты покровного молниеотвода

В последние годы все больше сооружается коттеджей с металлической кровлей. Это и традиционные способы покрытия металлическими листами со сборкой их с помощью кровельного шва, с применением гофрированных листов металла, металлочерепицы.

С точки зрения использования таких покрытий в качестве молниеприемников следует четко различать их способность к приему и отводу молнии в землю.

Рисунок 31. Примеры устройства сетчатых молниеотводов:

а) на односкатной крыше; б) на двухскатной двухуровневой; 1 - проводник молниеприемника сетчатого молниеотвода; 2 - токоотвод; 3 - сварной контакт токоотвода с заземлителем; 4 - соединительный зажим для замера сопротивления заземлителя; 5 - протяженный заземлитель; 6 - соединительный зажим молниеприемника.

Кровли, собранные с помощью кровельного шва, и кровли из гофрированных листов, собранные таким образом, что все листы имеют металлическую связь между собой через элементы крепления к обрешетке (например, винтами-саморезами) и необходимое количество токоотводов - могут использоваться в качестве молниеприемников (см. рис. 8). Естественно, что при прямом разряде молнии возможен прожог металла в месте разряда. Но, учитывая, что молнии будут поражать дом далеко не каждый год, эта неприятность, легко устранима.

Другое дело металлочерепица. Изолированная поверхность листов металлочерепицы при правильном крое (на поставляющей фирме) и правильной укладке по обрешетке с закреплением винтами-саморезами по выпуклости, создает некоторое контактное соединение, способное разве только для отвода на землю потенциалов, наведенных в кровле при разрядах молнии в стороне от дома и других природных явлений (снег, дождь, ветер и т.п.), но такие соединения неспособны отвести ток молнии. А, учитывая малую толщину листа и его большие размеры (от конька до свеса кровли) замена его при прожоге будет сопряжена с немалыми трудностями и стоимостью.

Естественно, что в зоне защиты покровного молниеотвода будет все то, что под кровлей.

К основным недостаткам покровных молниеотводов следует отнести:

1. Возможный прожог при прямом разряде молнии;

2. Необходимость установки стержневых молниеприемников на выступающих над кровлей конструктивных элементах дома (дымоходы, вентиляционные трубы, антенны и т.п.);

3. Некоторые сложности с присоединением токоотводов к кровле и др.

3.6. Зона защиты струнного молниеотвода

Для «неответственных» объектов на приусадебных участках и садовых домиков с неметаллической кровлей целесообразно применение упрощенной молниезащиты с помощью струнных молниеприемников. Зона применимости этих молниеприемников - кровли с углом не более 100°. Молниеприемник - сталь круглая (катанка) 6 - 8 мм оцинкованная или с коррозийно стойким покрытием, укладывается вдоль конька крыши с креплением к ней на расстоянии не менее 10 см в свету на деревянных или иных изолирующих прокладках. Концы молниеприемника загибаются на длине 25 - 30 см и служат в качестве вертикальных молниеприемников и присоединяются к токоотводам (см. рис. 31 и 3.6 Приложения III).

По опыту применения подобных молниеприемников на Западе и рекомендациям стандартов МЭК по молниезащите, такие горизонтальные молниеприемники имеют защитный угол 55 градусов. При незначительной стоимости и легкости выполнения эти молниеотводы могут широко применяться.

К недостаткам следует отнести:

1. Необходимость установки стержневых молниеприемников на выступающих над кровлей конструктивных элементах дома.

2. Необходимость установки изолирующих прокладок по коньку кровли через 1 м.

3. Ограниченный защитный угол молниеотвода.

3.7. Допустимое расстояние между молниеотводами и защищаемыми зданиями

Само собой разумеется, что защищаемый дом (хозпостройка) должен полностью располагаться в зоне защиты молниеотвода. Однако он должен располагаться на определенном расстоянии от молниеотвода. Если это расстояние меньше допустимого, то при разрядах молнии могут происходить перекрытия (разряды) с элементов молниеотвода (несущей конструкции, токоотвода) на защищаемый дом.

Рисунок 31 А. Пример устройства молниезащиты дома с помощью струнного молниеотвода

1 - струнный молниеприемник; 2 - токоотвод; 3 - защитная зона; 4 - защитный угол.

Молниезащитное устройство дома, включающее в себя молниеприемник, токоотвод и заземлитель, имеют электрическое сопротивление (активное и индуктивное). Наибольшей частью активного сопротивления обладает заземлитель, с которого ток молнии стекает в землю, т.е. переходное сопротивление между заземлителем и грунтом. Токоотвод представляет собой индуктивность, величина которой зависит от его длины.

Ток молнии, проходя по элементам молниеотвода в землю создает падение напряжения на сопротивлении заземления и индуктивности токоотвода. Падение напряжения U_R на сопротивлении заземления R_И (см. ниже) равно:

U_R = I_МR_И,                                                                     (13)

где I_М - ток молнии.

Падение напряжения на индуктивности токоотвода L

U_L = aL,                                                                        (14)

где a - средняя скорость (крутизна) нарастания тока молнии.

Максимальный потенциал в точке токоотвода, расположенной на расстоянии L от заземлителя (рис. 32), при разряде молнии в молниеотвод составляет:

U_l = I_МR_И + aL.                                                             (15)

Рисунок 32. К определению допустимого расстояния между молниеотводом и защищаемым сооружением:

1 - деревянная стойка молниеотвода; 2 - молниеприемник; 3 - токоотвод, укрепленный на стойке; 4 - заземлитель; 5 - подземные коммуникации.

Для расчета потенциала молниеотвода принимается амплитуда тока молнии I_М = 150 кА и средняя крутизна его фронта а = 30 кА/мкс. Индуктивность токоотвода L можно выразить через произведение удельной индуктивности L₀ (индуктивности единицы длины) на его длину l.

L = L₀l.                                                                          (16)

Как для металлических молниеотводов решетчатой конструкции, так и для отдельно проложенных токоотводов L₀ ≈ 1,7 мкГ/м. Таким образом, для расчетных условий максимальный потенциал, кВ:

U_l = 150R_И + 30´1,7´l (17)

Амплитуда напряжения на молниеотводах оказывается весьма высокой; например, при R_И = 10 Ом на расстоянии l = 10 м от заземлителя получим:

U_l = 150´10 + 30´1,7´10 = 2000 кВ.

Потенциал заземлителя при этом будет равняться:

U_З = I_МR_И = 150´10 = 1500 кВ.

Очевидно, чтобы не было перекрытия с молниеотвода на защищаемый объект, прочность изоляции между ними должна быть выше величины напряжения на молниеотводе.

В том случае, когда объект и молниеотвод разделены воздушным промежутком длиной S_B, необходимо выполнить условие:

S_B ≥ U_l/Е,                                                                      (18)

где Е - допустимая средняя напряженность электрического поля в воздухе, при которой невозможен пробой промежутка между молниеотводом и объектом; она равна 500 кВ/м.

Если в (18) подставить значение Е и U_l, из (17), то длина воздушного промежутка, м будет:

(19)

Чтобы исключить возможность перекрытия в земле с заземлителя на входящие в здание металлические коммуникации электрический кабель и др., нужно выдержать между ними расстояние, м равное:

(20)

E₁ = 300 кВ/м - допустимая средняя напряженность электрического поля в земле.

Таким образом, допускаемое расстояние в точках сближения молниеотвода и объекта зависит от сопротивления заземления молниеотвода и высоты над землей точки сближения. Если известны S_B, S_З и l, то по формулам (19) и (20) легко найти величину сопротивления заземления, обеспечивающую безопасность сближения.

Аналогичное положение возникает в случае разряда молнии в молниеотвод, расположенный на здании. В этом случае между молниезащитным устройством и заземленными объектами внутри здания (электропроводкой, трубопроводами различного назначения, металлическими элементами дома) также должно быть обеспечено необходимое расстояние, иначе между ними произойдет пробой, который может вызвать местное повреждение дома и может оказаться опасным также и для людей, находящихся в этот момент в доме. Расчет необходимого расстояния в месте сближения в случае одного токоотвода может производиться по формуле (19), однако если часть промежутка S_B занимает кирпичная (или из какого-либо другого непроводящего материала) стена, то ее следует учитывать утроенной толщиной.

Если здание имеет n токоотводов, то допустимое расстояние в точке сближения с одним из токоотводов определяется по формуле:

S_B ≥ 0,3R_И + 0,1l/n.                                                       (21)

Если в качестве токоотвода используется стальной каркас здания или разветвленная водопроводная сеть, то второй член в (21) очень мал и практически не оказывает влияния на величину S_B. Основную роль играет величина сопротивления заземлителя.

Заметим также, что если токоотвод имеет петлю длиной l (рис. 9), то падение напряжения на этой петле U_i = aL₀l = 30´1,7l = 50l. Чтобы не было пробоя между точками 1 и 2, необходимо выполнить условие

(22)

В случае, если ни конструктивно, ни снижением величины сопротивления заземления не удается обеспечить требуемую электрическую прочность между токоотводом и заземленными частями внутри здания, необходимо последние присоединить вблизи мест сближения с молниезащитным устройством (токоотводом), а в нижней части - с заземлителем.

Электропроводка при этом должна быть проложена в металлических трубах, которые также внизу присоединяются к заземлителю, а в местах сближения и к молниезащитному устройству. Электрическая емкость между трубой и лежащей внутри нее электропроводкой достаточно велика, а, как известно, емкостное сопротивление обратно пропорционально величине емкости и частоте тока. Поэтому при прохождении тока молнии, эквивалентного току весьма высокой частоты, емкостное сопротивление между проводкой и трубой ничтожно, и, таким образом, оказывается, что проводка и труба практически имеют между собой электрическое соединение. Этот эффект спасает изоляцию электропроводки от пробоев.