Защита дома от молнии. Гроза, молния и средства защиты электросети своими силами

Защита от молний в частном доме

Защита от молний в частном доме очень важный пункт в электрической цепи дома. Если в многоквартирном доме этим занимается организация, обслуживающая электрическую сеть, то в частном жилище придется взять ситуацию в свои руки. Молния - природный разряд электричества. Сила молнии такова, что на краткие наносекунды своего существования она сравнивается с энергией ядерной электростанции.

Понятно, что при прямом попадании в электрическую сеть дома провода и приборы не то что перегорят, а просто взорвутся. Именно поэтому к такой защите следует отнестись со всей серьезностью и не скупиться на расходы по установке. Молниезащита бывает внутренней и внешней. Это как бы 2 охранных контура, которые, работая совместно, могут почти на 100 % обезопасить электрооборудование и людей в доме.

Внешняя защита от молний

В первую очередь это молниеотвод , который устанавливается на самой высокой точке дома, соединенный проводником с системой заземления. Еще до недавнего времени громоотвод соединялся к заземлителем, который одновременно служил и системой заземления в доме. Как выяснилось опытным путем, такой защиты недостаточно для того, чтобы спокойно чувствовать себя в грозу. Чтобы не пугать никого описанием, что бывает в случае, когда молния пробивает заземление (200 тыс. А!), необходимо показать устройство и схему нормально функционирующего молниеотвода.

Молниеприемник , который устанавливается на крыше, бывает 2 видов. Это либо высокий металлический штырь, который вертикально выставляется при помощи деревянных стоек, либо трос, протянутый вдоль всего конька крыши и уложенный на деревянные подпорки.

Есть еще вариант, когда на крышу укладывают металлическую сетку, сваренную из арматур сечением 8–10 мм², с шагом ячеек 2–5 м. В принципе, особенной разницы между ними нет.

Тросовые молниеприемники охватывают большую площадь крыши и считаются более безопасными, а сеточные не портят внешнего вида дома. Сечение молниеприемника должно быть не меньше 12 мм², хотя лучше всего арматура с запасом - 16 мм². При установке штыря необходимо помнить, что он должен возвышаться над самой высокой точкой кровли не меньше чем на 20–30 см, то же самое относится и к тросовому приемнику.

Примечание . Зона, которую защищает громоотвод, примерно равна его высоте. Например, при высоте над землей 6 м он защитит от попадания молнии территорию круга с радиусом 6 м.

Провод, по которому энергия молнии пойдет к заземлителю, лучше брать стальной сечением не меньше 10 мм² или медный провод сечением не меньше 6 мм². Это как раз тот случай, когда кашу маслом не испортить: чем толще будет провод, тем безопаснее. Проводник соединяется с приемником сваркой или при помощи болтового соединения, конец провода обжимается наконечником. Кабель опускается по наружной стене дома, к которой он крепится при помощи пластиковых хомутов. Они, в свою очередь, приделываются к стене при помощи дюбельей. Желательно, чтобы это была глухая стена, противоположная входной двери, без окон. Проводник не должен проходить мимо металлических элементов (лестниц, водопроводных и водосточных труб) ближе чем на 30 см.

Теперь отдельно о системе заземлителя. Он не должен быть совместным с заземлителем контура заземления дома. Это отдельное устройство, и характеристики его должны быть такими же, как у заземлителя дома. Его также надо углублять в землю на 3 м и приваривать к токоотводу.

Примечание . При современном строительстве для оштукатуривания дома используют металлическую сетку, которая поддерживает раствор на стене, армируя его. Эта сетка - неплохая защита от наведенных токов, которые часто случаются во время грозы, даже когда молния не ударяет поблизости.

Внутренняя защита от молний

Ее обеспечивают специальные устройства, которые добавляются в схему домового щитка и ВУ. Суть их в следующем: даже если молния не попадает в дом, во время грозы частенько случаются скачки напряжения, помехи в телевизоре и радио. Это объясняется тем, что электромагнитное поле при ударе молнии может создавать импульсные токи в проводке и устройствах. Разряд необязательно должен ударить именно в дом - это может произойти на расстоянии нескольких сотен метров и даже километров. Если же молния попадает в дом, то в лучшем случае молниеотвод сбросит напряжение в заземлитель, в худшем - разряд со всей силой ударит по электрической сети.

Даже когда энергия молнии стечет по молниеотводу, ток, возникающий в проводке, может привести к порче чувствительной аппаратуры (компьютеров, холодильников и телевизоров). Лучше и не представлять, что случится при прямом воздействии. Как раз для защиты от таких ситуаций и существуют специальные устройства - ограничители. Внутри ВРУ можно установить ограничители перенапряжения (ОПН). Эти устройства по внешнему виду напоминают обычные автоматы (ВА), только без рычага отключения. Все, что надо знать про ограничители, - что они устанавливаются между фазой и заземлением или нулевым проводом и заземлением.

Ограничители бывают 3 видов и различаются по чувствительности к току перенапряжения.

1. Класс «В» - такие ограничители ставят на входе в щит. Они предназначены для защиты от сверхвысокого напряжения - прямого удара молнии.

2. Класс «С» - устройства устанавливаются по схеме после ограничителей класса «В» и служат защитой от наведенных токов.

3. Класс «D» устанавливают, когда в доме находится особо чувствительная аппаратура.

Применять следует все 3 вида устройств, поскольку у них разный уровень чувствительности, и ставить по схеме один за другим.

Примечание. Если в доме не установлены ограничители, то во время грозы желательно отключать бытовую технику.

Например, при близком ударе молнии сработает ограничитель «В», а при прямом ударе - «С». Именно поэтому нельзя поставить устройство класса «D» и на этом успокоиться, считая, что дом защищен. Ограничители рассчитаны как на однофазные сети, так и на трехфазные. Ниже приведено несколько схем подключения ограничителей.

Применение ОПН различного класса для защиты аппаратуры, находящейся в доме

1 - шина уравнивания потенциалов; 2 - хомут уравнивания потенциалов; 3 - полоса заземления; 4 - ограничитель перенапряжения, устанавливается между фазовыми проводниками и проводом РЕ; 5 - ограничитель перенапряжения категории «C», устанавливается в распределительных шкафах на вводе; 6 - ограничитель перенапряжения категории «D», устанавливается непосредственно перед каждым электронным потребителем электроэнергии; 7 - ограничитель перенапряжения категории «B», устанавливается в разрез антенного фидера; 8 - ограничитель перенапряжения категории «D»; 9 - ограничитель перенапряжения категории «B» для защиты телефонных линий; 10 - ограничитель перенапряжения категории «B»

Молния является красивым и вдохновляющим явлением природы, однако также она может быть смертельно опасной. Статистика последних 30 лет говорит о том что, в результате удара молнии погибает 67 человек ежегодно, в одних только Соединенных Штатах. Однако большинство этих смертей можно было бы предотвратить. В следующий раз, когда вы увидите молнию, последуйте нижеизложенным советам.

Шаги

Найти укрытие и оставаться в безопасности

Быстро найти укрытие. Если вас застигла гроза, вы можете обезопасить себя, укрывшись в защитном сооружении. Хотя большинство людей пытаются укрыться, когда молния совсем близко, некоторые люди не спешат искать укрытие. Если вы видите молнию, то значит она достаточно близко, чтобы поразить вас. Не ждите, пока она ударит в землю в метре от вас (или в вас самих), чтобы бежать в укрытие. Никогда не становитесь под дерево (высокое или низкое), или вблизи опор линий электропередач, так как и то и другое, хорошо проводит ток, и крайне опасно для жизни и здоровья. Ищите каменное укрытие, например пещеру.

• Наилучшим вариантом будут жилые дома (с водопроводом, электричеством и, по возможности, с громоотводом).
• Если поблизости нет жилых домов, спрячьтесь в машине с железным кузовом. Если молния ударит в машину, металлический корпус отведет ток. Проверьте, чтобы все окна и двери в машине были закрыты. Не прислоняйтесь к металлическим частям машины, иначе, ток, проходящий по ним при ударе молнии, перейдет на вас. Не включайте радио.
• Не прячьтесь в маленьких строениях, таких как обособленно стоящие общественные туалеты. Открытые укрытия тоже не вариант. Они только притягивают молнии и не дают никакой защиты.
• Ни в коем случае не становитесь под дерево. Молния поражает высокие объекты, и если она ударит в дерево, под которым вы стоите, ток может распространиться и на вас, или же вас может травмировать падающее дерево или ветка.
• Обезопасьте своих домашних животных. Собачьи будки и другие виды укрытий для домашних животных не защищают от ударов молнии. Животное, привязанное поводком к забору, имеет гораздо более высокий риск получения удара молнией.

1. Не стойте у окон. Закройте все окна, и старайтесь находиться во внутренних частях комнат. Окна обеспечивают прямой путь для прохождения молнии.

   Не прикасайтесь к металлическим предметам и электрическим приборам. Использование стационарных телефонов во время грозы является главной причиной несчастных случаев в США. Молния может попасть в дом через любой материал, проводящий электричество, в том числе, через стационарные телефоны, электропроводку, и элементы сантехники.

   • Не прикасайтесь к розеткам во время грозы. Не отключайте устройства от сети во время грозы, так как электрический ток может перейти на вас.
   • Не лежите на бетонном полу и не прислоняйтесь к бетонным стенам. В бетоне есть металлическая арматура, которая может проводить электричество.
   • Держитесь подальше от ванной и душа, а также избегайте крытых бассейнов.
   • Находясь в автомобиле, старайтесь не прикасаться к его металлическим или стеклянным частям.

2. Оставайтесь в укрытии. Не покидайте укрытия в течение 30 минут после последнего удара молнии. Не выходите, если дождь начинает утихать. Все еще есть риск удара молнии от удаляющейся грозы.

   Примите соответствующую позу. Наиболее безопасной позой считается следующая: присесть, ступни поставить вместе, опустить голову и грудь на колени и предплечья, руками обхватить колени. Не ложитесь плашмя на землю - так вы увеличите площадь попадания молнии.

   • Это неудобное положение, но оно обеспечит вам безопасность. В таком положении молния не заденет жизненно важные органы, а пройдет сквозь тело, причинив вам меньше вреда.
   • Закройте уши и глаза, чтобы защитить слух и зрение от грома и молнии.

3. Обращайте внимание на предвестники молнии. Непосредственно перед ударом молнии ваши волосы могут встать дыбом, или вы можете почувствовать легкое покалывание в коже. Легкие металлические предметы могут вибрировать, и может раздаться треск. При обнаружении любого из этих признаков, немедленно примите описанную выше позу.

   Носите резиновые сапоги. Они хорошо изолируют ток.

Меры предосторожности

Планируйте заранее. Лучший способ избежать травмы от молнии - это избежать саму молнию. Планируйте дела с учетом возможности грозы. Слушайте местный прогноз погоды, чтобы не пропустить штормовое предупреждение.

Наблюдайте за небом. Когда вы на улице, наблюдайте за изменениями в небе, которые говорят о приближении грозы: дождь, потемнение или образование кучево-дождевых облаков. Предвидев молнию до ее первого удара, вы можете избежать опасной ситуации.

• Однако помните, что молния может ударить и без всех этих признаков.

1. Рассчитайте расстояние до молнии. Если нельзя различить молнию визуально, воспользуйтесь правилом 30 секунд: если время между вспышкой молнии и звуком грома составляет 30 секунд или менее (10 км или меньше), немедленно спрячьтесь в укрытие.

   Составьте план действий. Если вы находитесь в местности, где велика вероятность появления грозы, узнайте, где можно укрыться. Обсудите план действий с группой, чтобы все знали, как вести себя в чрезвычайной ситуации.

   Приготовьте аварийный комплект. У вас под рукой должны быть средства для оказания первой помощи и прочие вещи на случай бедствия. Во время грозы вы можете остаться без электричества, поэтому имейте альтернативные источники света.

   Установите молниеотвод. Если вы живете в зоне, привлекающей молнии, установите у себя молниеотвод, чтобы защитить свою семью и имущество.

   • Установите молниеотвод правильно. Неправильно установленный молниеотвод только увеличит вероятность попадания молнии.

Помощь пострадавшим от удара молнии

1. Звоните в службу спасения. Так как удар молнии может вызвать остановку сердца, человеку может потребоваться реанимация. Если вы не можете набрать 9-1-1, попросите это сделать кого-то другого.

   Помогите пострадавшему, у которого шок. Уложите пострадавшего на спину так, чтобы его голова находилась немного ниже туловища. Поднимите его ноги и удерживайте их.

• При приближении грозы обезопасьте электроприборы, заранее отключив их от сети. Не пользуйтесь стационарными телефонами, так как молния может пройти через провод. Не отключайте приборы от сети во время грозы, а делайте это только заблаговременно.
• Не находитесь во время грозы в маленьких лодках. Однако если нет другого варианта добраться до берега, не стоит прыгать в воду - оставайтесь в лодке, даже если это парусное судно с мачтой. Есть ошибочное мнение, что находиться во время грозы в воде безопасно. На самом же деле, молния легко может ударить в воду (или она может провести электрический разряд), а находясь на плаву не желательно терять сознание.
• Заняв описанную в этой статье позу, защитите свой слух. Звук грома опасен для барабанных перепонок.
• Молния распространяется по земле в радиусе нескольких метров от места удара, поэтому держитесь подальше от высоких, изолированных объектов. По этой же причине помните, что человек может пострадать от удара молнии, даже если вы не видели, как она в него ударила.
• Устройства для обнаружения молнии и службы предупреждения грозы доступны на полях для гольфа, парках и т.д.
• Молнии - типичное явление летом на большей части территории США. Флорида является рекордсменом по количеству молний на квадратный километр в год.
• Молния случается не только во время грозы, но может произойти и во время извержения вулкана. Поэтому убедитесь, что вулкан спящий. Чем больше вы видите пепла, тем больше вероятность молнии.
• Ношение электронных устройств с наушниками во время грозы увеличивает вероятность получения тяжелой травмы при ударе - причем, пострадают не только уши, но и другие части тела, над которыми проходит провод наушников.
• Носите как можно больше резинового. Резина - хороший изолятор, и при ударе молнии, она отразит ее, или поглотит. Также, не прикасайтесь к металлу, так как молния проходит по всей его площади, и при прикосновении, перейдет на вас.
• Держитесь подальше от окон.

Предупреждения

• При поиске низинного укрытия удостоверьтесь, что это место не затопится водой.
• Не наблюдайте за молниями через открытое окно, дверь, или с крыльца. Открытые места небезопасны, даже если они находятся в удобном укрытии.
• Сильные грозы могут вызвать (и иногда вызывают) смерчи без всякого предупреждения. Будьте настороже при изменении погоды, если в вашей местности случаются сильные грозы. Будьте бдительны, даже если не передавалось штормовое предупреждение.

Молния всегда будила фантазию человека и стремление познавать мир. Она принесла на землю огонь, приручив который, люди стали могущественнее. Мы пока не рассчитываем на покорение этого грозного природного явления, но хотели бы «мирного сосуществования». Ведь чем совершеннее создаваемая нами техника, тем опаснее для нее атмосферное электричество. Один из способов защиты - заранее, с помощью специального имитатора, оценивать уязвимость промышленных объектов для тока и электромагнитного поля молнии.

Любить грозу в начале мая легко поэтам и художникам. Энергетик, связист или космонавт от начала грозового сезона в восторг не придет: слишком большие неприятности он обещает. В среднем на каждый квадратный километр территории России ежегодно приходится около трех ударов молний. Их электрический ток доходит до 30 000 А, а у самых мощных разрядов может превысить 200 000 А. Температура в хорошо ионизированном плазменном канале даже умеренной молнии может достигать 30000 °С, что в несколько раз больше, чем в электрической дуге сварочного аппарата. И конечно, это не сулит ничего хорошего многим техническим объектам. Пожары и взрывы от прямого попадания молнии хорошо знакомы специалистам. А вот обыватели риск подобного события явно преувеличивают.

Наконечник флагштока останкинской телебашни. Видны следы оплавленияВ реальности «небесная электрозажигалка» не столь уж эффективна. Представьте: вы пытаетесь развести огонь во время урагана, когда из-за сильного ветра трудно зажечь даже сухую солому. Еще мощнее воздушный поток от канала молнии: ее разряд рождает ударную волну, громовой раскат которой срывает и гасит пламя. Парадокс, но слабая молния пожароопаснее, особенно, если по ее каналу в течение десятых долей секунды (целая вечность в мире искровых разрядов!) протекает ток около 100 А. Последний мало чем отличается от дугового, а электрическая дуга подожжет все, способное гореть.

Впрочем, для здания обычной высоты попадание молнии — явление не частое. Опыт и теория показывают: она «притягивается» к наземному сооружению с расстояния, близкого к трем его высотам. Десятиэтажная башня соберет около 0,08 молний ежегодно, т.е. в среднем 1 удар за 12,5 лет эксплуатации. Дачный домик с мансардой — примерно в 25 раз меньше: в среднем владельцу придется «ждать» около 300 лет.

Но не будем и преуменьшать опасность. Ведь если молния ударит хотя бы в один из 300-400 поселковых домов, местные жители вряд ли сочтут это событие ничтожным. А есть объекты гораздо большей протяженности — скажем, линии электропередачи (НЭП). Их длина вполне может превысить 100 км, высота — 30 м. Значит, справа и слева каждая из них соберет удары с полос шириной по 90 м. Общая площадь «стягивания» молний превысит 18 км2, их число — 50 за год. Разумеется, стальные опоры линии при этом не сгорят, провода не расплавятся. В наконечник флагштока Останкинской телебашни (Москва) молнии ударяют примерно 30 раз в год, однако ничего страшного не происходит. А чтобы понять, чем они опасны для ЛЭП, нужно познать природу электрических, а не термических воздействий.

ГЛАВНАЯ СИЛА МОЛНИИ

При ударе в опору электрической линии ток стекает в землю через сопротивление заземления, которое, как правило, составляет 10-30 Ом. При этом даже «средняя» молния, с током 30 000 А, создает напряжение 300-900 кВ, а мощная — в несколько раз больше. Так возникают грозовые перенапряжения. Если они достигают мегавольтного уровня, изоляция ЛЭП не выдерживает и пробивается. Происходит короткое замыкание. Линия отключается. Еще хуже, когда канал молнии прорывается непосредственно к проводам. Тогда перенапряжение на порядок выше, чем при поражении опоры. Борьба с этим явлением и сегодня остается трудной задачей электроэнергетиков. Причем по мере совершенствования техники ее сложность лишь нарастает.

Останкинская телебашня выступила в роли молниеотвода, пропустив удар молнии на 200 м ниже вершиныЧтобы удовлетворить стремительно растущие потребности человечества в энергии, современные электростанции должны объединяться в мощные системы. В России сейчас функционирует единая энергетическая система: все ее объекты работают взаимосвязанно. Поэтому случайный выход из строя даже одной ЛЭП или электростанции может привести к серьезным последствиям, похожим на происшедшее в Москве в мае 2005 г. В мире отмечено немало системных аварий по вине молний. Одна из них — в США в 1968 г. нанесла многомиллионный ущерб. Тогда грозовой разряд отключил одну ЛЭП, и энергосистема не справилась с возникшим дефицитом энергии.

Неудивительно, что защите ЛЭП от молний специалисты уделяют должное внимание. По всей длине воздушных линий напряжением 110 кВ и более подвешивают специальные металлические тросы, стремясь сверху уберечь провода от прямого попадания. Их изоляцию максимально усиливают, сопротивление заземления опор предельно снижают, а для дополнительного ограничения перенапряжений используют полупроводниковые устройства, подобные тем, что защищают входные цепи компьютеров или высококачественных телевизоров. Правда, их сходство — только в принципе действия, рабочее же напряжение для линейных ограничителей исчисляется миллионами вольт — оцените масштабы затрат на защиту от молнии!

Часто спрашивают, реально ли спроектировать абсолютно молниестойкую линию? Ответ однозначный — да. Но тут неизбежны два новых вопроса: кому это надо и сколько будет стоить? Ведь если нельзя повредить надежно защищенную ЛЭП, то можно, например, сформировать ложную команду на отключение линии или просто разрушить низковольтные цепи автоматики, которые в современном исполнении построены на микропроцессорной технике. Рабочее напряжение микросхем с каждым годом снижается. Сегодня оно исчисляется единицами вольт. Вот где простор для молнии! И нет нужды в прямом ударе, ибо она способна действовать дистанционно и сразу на больших площадях. Главным ее оружием становится электромагнитное поле. Выше говорилось о токе молнии, хотя для оценки электродвижущей силы магнитной индукции важен и ток, и скорость его роста. У молнии последняя может превышать 2 . 1011 А/с. В любом контуре площадью 1 м2 на расстоянии 100 м от канала молнии такой ток наведет напряжение примерно вдвое выше, чем в розетках жилого дома. Не нужно большой фантазии, чтобы представить судьбу микросхем, рассчитанных на напряжение порядка одного вольта.

В мировой практике известно множество тяжелых аварий из-за разрушения цепей управления грозовым разрядом. В этот перечень попадают повреждения бортовой аппаратуры авиалайнеров и космических кораблей, ложные отключения сразу целых «пакетов» высоковольтных ЛЭП, выход из строя аппаратуры антенных систем мобильной связи. К сожалению, заметное место здесь занимают и «бьющие» по карману обычных граждан повреждения бытовой техники, все больше заполняющей наши дома.

ПУТИ ЗАЩИТЫ

Мы привыкли рассчитывать на защиту молниеотводами. Помните оду великого естествоиспытателя XVIII в., академика Михаила Ломоносова на их изобретение? Наш знаменитый соотечественник восторгался победой, говорил, что небесный огонь перестал быть опасным. Конечно, это приспособление на крыше жилого дома не даст молнии поджечь деревянный настил или другие горючие строительные материалы. В отношении же электромагнитных воздействий он бессилен. Совершенно безразлично, течет ли ток молнии в ее канале или по металлическому стержню молниеотвода, все равно он возбуждает магнитное поле и наводит за счет магнитной индукции во внутренних электрических цепях опасное напряжение. Для эффективной борьбы с этим молниеотвод обязан перехватывать канал разряда на отдаленных подступах к защищаемому объекту, т.е. стать очень высоким, потому что наводимое напряжение обратно пропорционально расстоянию до проводника с током.

Сегодня накоплен большой опыт использования таких конструкций разной высоты. Однако статистика не слишком утешительная. Зону защиты стержневого молниеотвода обычно представляют в виде конуса, осью которого он является, но с вершиной, расположенной несколько ниже, чем его верхний конец. Обычно 30-метровый «стержень» обеспечивает 99%-ную надежность защиты здания, если возвышается над ним примерно на 6 м. Добиться этого — не проблема. Но с увеличением высоты молниеотвода расстояние от его вершины до «прикрываемого» объекта, минимально необходимое для удовлетворительной защиты, стремительно нарастает. Для 200-метровой конструкции той же степени надежности этот параметр уже превышает 60 м, а для 500-метровой — 200 м.

В подобной роли выступает и упомянутая Останкинская телебашня: она не в состоянии защитить самое себя, пропускает удары молнии на расстоянии 200 м ниже вершины. Радиус зоны защиты на уровне земли для высоких молниеотводов также резко увеличивается: у 30-метрового он сопоставим с его высотой, у той же телебашни — 1/5 ее высоты.

Иными словами, нельзя надеяться, что молниеотводы традиционной конструкции сумеют перехватить молнию на дальних подступах к объекту, особенно если последний занимает большую площадь на поверхности земли. Значит, нужно считаться с реальной вероятностью грозового разряда в территорию электрических станций и подстанций, аэродромов, складов жидкого и газообразного топлива, протяженных антенных полей. Растекаясь в земле, ток молнии частично попадает в многочисленные подземные коммуникации современных технических объектов. Как правило, там находятся электрические цепи систем автоматики, управления и обработки информации - тех самых микроэлектронных устройств, о которых говорилось выше. Кстати, расчет токов в земле сложен даже в самой простейшей постановке. Трудности усугубляются из-за сильных изменений сопротивления большинства грунтов в зависимости от силы растекающихся в них токов килоамперного уровня, как раз свойственных разрядам атмосферного электричества. К расчету цепей с такими нелинейными сопротивлениями неприменим закон Ома.

К «нелинейности» грунта добавляется вероятность образования в нем протяженных искровых каналов. Ремонтные бригады кабельных линий связи хорошо знакомы с такой картиной. От высокого дерева на лесной опушке по земле тянется борозда, будто от сохи или старинного плуга, и обрывается точно над трассой подземного телефонного кабеля, который в этом месте поврежден - металлическая оболочка смята, изоляция жил разрушена. Так проявилось действие молнии. Она ударила в дерево, и ее ток, растекаясь по корням, создал в грунте сильное электрическое поле, сформировал в нем плазменный искровой канал. Фактически молния как бы продолжила свое развитие, только не по воздуху, а в земле. И так она может проходить десятки, а в особенно плохо проводящих ток грунтах (скальных или вечномерзлых породах) и сотни метров. Прорыв ее к объекту осуществляется не традиционным путем — сверху, а, минуя любые молниеотводы, снизу. Скользящие разряды вдоль поверхности грунта хорошо воспроизводятся в лаборатории. Все эти сложные и сильно нелинейные явления нуждаются в экспериментальном исследовании, моделировании.

Ток для рождения разряда может быть сформирован искусственным импульсным источником. Энергия около минуты накапливается в конденсаторной батарее, а потом за десяток микросекунд «выплескивается» в бассейн с грунтом. Подобные емкостные накопители есть во многих высоковольтных исследовательских центрах. Их габариты достигают десятков метров, масса — десятков тонн. Такие не доставишь на территорию электрической подстанции или другого промышленного объекта, чтобы в полном масштабе воспроизвести условия растекания токов молнии. Это удается разве что случайно, когда объект соседствует с высоковольтным стендом — например, в открытой установке Сибирского научно-исследовательского института энергетики импульсный генератор высоких напряжений размещен рядом с ЛЭП в 110 кВ. Но это, конечно, исключение.

ИМИТАТОР УДАРА МОЛНИИ

На деле же речь должна идти не об уникальном эксперименте, а о рядовой ситуации. В полномасштабной имитации тока молнии крайне нуждаются специалисты, поскольку только так можно получить достоверную картину распределения токов по подземным коммуникациям, измерить последствия воздействия электромагнитного поля на устройства микропроцессорной техники, определить характер распространения скользящих искровых каналов. Соответствующие испытания должны стать массовыми и производиться до ввода в эксплуатацию каждого принципиально нового ответственного технического объекта, как это давно делается в авиации, космонавтике. Сегодня нет иной альтернативы, кроме создания мощного, но малогабаритного и мобильного источника импульсных токов с параметрами тока молнии. Его макетный образец уже существует и успешно испытан на подстанции «Донино» (110 кВ) в сентябре 2005 г. Все оборудование разместилось в заводском прицепе от серийной «Волги».

Мобильный испытательный комплекс построен на основе генератора, который преобразует механическую энергию взрыва в электрическую. Этот процесс в основном хорошо известен: он имеет место в любой электрической машине, где механическая сила движет ротор, противодействуя силе его взаимодействия с магнитным полем статора. Принципиальное различие же состоит в исключительно высокой скорости выделения энергии при взрыве, быстро разгоняющего металлический поршень (лайнер) внутри катушки. Он за микросекунды вытесняет магнитное поле, обеспечивая возбуждение высокого напряжения в импульсном трансформаторе. После дополнительного усиления импульсным трансформатором напряжение формирует ток в испытуемом объекте. Идея этого устройства принадлежит нашему выдающемуся соотечественнику, «отцу» водородной бомбы академику А.Д. Сахарову.

Взрыв в специальной высокопрочной камере разрушает лишь катушку длиной 0,5 м и лайнер внутри нее. Остальные элементы генератора используют многократно. Схему можно настроить так, чтобы скорость роста и длительность формируемого импульса соответствовали аналогичным параметрам тока молнии. Причем его удается «вогнать» в объект большой длины, например, в провод между опорами ЛЭП, в контур заземления современной подстанции или в фюзеляж авиалайнера.

При испытаниях макетного образца генератора в камеру заложили всего 250 г взрывчатки. Этого достаточно для формирования импульса тока амплитудой до 20 000 А. Правда, для первого раза на столь радикальное воздействие не пошли — ток ограничили искусственно. При запуске установки раздался лишь легкий хлопок погашенного камерой взрыва. А проверенные затем записи цифровых осциллографов показали: импульс тока с заданными параметрами успешно был введен в молниеотвод подстанции. Датчики отметили скачок напряжения в различных точках контура заземления.

Ныне штатный комплекс в процессе подготовки. Он будет настроен на полномасштабную имитацию токов молнии и при этом разместится в кузове серийного грузовика. Взрывная камера генератора рассчитана на работу с 2 кг взрывчатки. Есть все основания считать, что комплекс окажется универсальным. С его помощью можно будет испытывать на устойчивость к воздействию тока и электромагнитного поля молнии не только электроэнергетические, но и другие крупногабаритные объекты новой техники: АЭС, телекоммуникационные устройства, ракетные комплексы и т.д.

Хотелось бы закончить статью на мажорной ноте, тем более, что для этого есть основания. Ввод штатного испытательного комплекса позволит объективно оценивать эффективность самых современных защитных средств. Тем не менее, какая-то неудовлетворенность все равно остается. Фактически человек снова идет на поводу у молнии и вынужден мириться с ее своеволием, теряя при этом немало денег. Применение средств молниезащиты приводит к увеличению габаритов и веса объекта, растут затраты дефицитных материалов. Вполне реальны парадоксальные ситуации, когда размеры защитных средств превышают таковые защищаемого конструктивного элемента. В инженерном фольклоре хранится ответ известного авиаконструктора на предложение спроектировать абсолютно надежный самолет: такую работу можно выполнить, если заказчик смирится с единственным недостатком проекта — самолет никогда не оторвется от земли. В молниезащите сегодня происходит нечто подобное. Вместо наступления специалисты держат круговую оборону. Чтобы вырваться из порочного круга, нужно понять механизм формирования траектории молнии и найти средства управления этим процессом за счет слабых внешних воздействий. Задача сложная, но далеко не безнадежная. Сегодня ясно, что молния, движущаяся от облака к земле, никогда не ударяет в наземный объект: от его вершины навстречу приближающейся молнии прорастает искровой канал, так называемый встречный лидер. В зависимости от высоты объекта он вытягивается на десятки метров, иногда на несколько сотен и встречает молнию. Конечно, это «свидание» происходит не всегда — молния может промахнуться.

Но вполне очевидно: чем раньше возникнет встречный лидер, тем дальше он продвинется к молнии и, значит, больше шансов на их встречу. Следовательно, нужно научиться «тормозить» искровые каналы от защищаемых объектов и, напротив, стимулировать от молниеотвода. Основание для оптимизма внушают те весьма слабые внешние электрические поля, в которых формируется молния. В грозовой обстановке поле у земли около 100-200 В/см — примерно такое же, как на поверхности электрического шнура утюга или электробритвы. Раз молния довольствуется такой малостью, значит столь же слабыми могут быть управляющие ею воздействия. Важно только понять, в какой момент и в каком виде они должны быть поданы. Впереди трудная, но интересная исследовательская работа.

Академик Владимир ФОРТОВ, Объединенный институт физики высоких температур РАН, доктор технических наук Эдуард БАЗЕЛЯН, Энергетический институт им. Г.М. Кржижановского.

Такое природное явление, как гроза, сопровождаемое громом и молнией, помимо демонстрации внешнего величия, несет опасность для жизни людей и целостности строений. Попадание молнии, представляющей собой электрический разряд огромной силы, может привести к пожару и причинить вред здоровью человека, вплоть до смертельного исхода. Для защиты от молний применяются системы молниезащиты. Эти системы защиты от грозы при правильном монтаже обеспечивают полную безопасность от поражения молнией.

При прохождении грозовых туч, между ними и поверхностью земли возникает электрический заряд. Это сравнимо с двумя обкладками конденсатор, где земля имеет нулевой потенциал, а грозовые тучи накапливают заряд. Величина этого заряда имеет огромные значения. При разряде молнии величина тока может достичь значения в 500 тысяч ампер, а напряжение в десятки и сотни миллионов вольт.

Как известно, электрический разряд происходит при достижении определенной величины напряженности электрического поля между проводниками, которые находятся ближе друг к другу, чем остальные. Именно поэтому молния обычно ударяет в самые высокие строения и деревья. Это свойство положено в основу принципа устройства системы для грозозащиты: принять удар молнии в самой высокой точке объекта на себя и отвести его в землю, нейтрализуя тем самым опасное воздействие громадных величин тока и напряжения.

Поэтому молниеприемник системы защиты от грозы располагают в самой верхней точке строения. Для частного дома такой точкой может быть дымовая труба (дымоход), стойка телевизионной антенны, конек крыши. Удобным местом для нее может послужить высокое дерево, стоящее рядом с домом. Дерево должно быть выше всех рядом стоящих строений.

Современные системы защиты от грозы

Существуют две системы внешней грозозащиты - пассивная и активная. Пассивная система была спроектирована еще в восемнадцатом столетии, а активная система относится к современным разработкам. На ней мы остановимся немного позже.

Одним из ученых, занимавшихся выяснением природы грозовых молний, был американский ученый и политик Бенджамин Франклин. Результаты его опытов в числе прочих исследований были положены в проектирование устройства внешней грозозащиты. Оно достаточно простое и его по силам изготовить самостоятельно из подручных средств. Пассивное устройство состоит всего из трех частей: молниеприемника, токоотвода и цепи заземления.

Внутренние системы защиты от грозы служат для защиты бытовых электроприборов и оборудования от поражения импульсами высокого напряжения при попадании молний в линии электропередач (ЛЭП). С этой целью перед счетчиком устанавливается устройство защиты от импульсных перенапряжений (УЗИП). Оно разработано таким образом, чтобы при поступлении на него импульса высокого напряжения, он отводился из электрической сети по цепи заземления. Существуют двух и трехфазные устройства.

Рассмотрим составные части внешней системы для грозозащиты. Она состоит из молниеприемника, токоотвода и устройства (цепи) заземления. Следует обратить внимание на то, что цепь заземления домашней электрической сети и системы молниезащиты должны быть независимы друг от друга.

Молниеприемник

При проектировании молниеприемника для грозозащиты необходимо учитывать такие факторы: тип кровли здания, наличие рядом с домом высоких строений и деревьев, площадь территории, нуждающейся в защите.

Самым простым молниеприемником является металлический штырь диаметром не менее 8-10 мм или аналогичная по размеру толстостенная металлическая труба. Это устройство должно размещаться таким образом, чтобы его верхняя точка находилась не ниже, чем на 2 метра от самой высокой части крыши. Защищаемая таким образом площадь напрямую зависит от высоты нахождения вершины штыря и равна площади окружности с радиусом, равным этой высоте.

Штыревые молниеприемники являются оптимальным решением при проектировании грозозащиты для металлической кровли. При попадании молнии энергия разряда отводится по токоотводу в цепь заземления.

Если рядом с домом находится высокое дерево (превышающее высоту дома), имеет смысл для увеличения защищаемой от молнии площади поместить штыревое устройство приема молнии на верхушке этого дерева. Штырь также должен возвышаться над кроной дерева не менее чем на 2 метра.

При проектировании защиты для строений с шиферными крышами часто используют в качестве молниепринимающего устройства металлический трос подходящего диаметра, который натягивается вдоль конька кровли на высоте не менее полуметра. Защищаемая таким образом площадь имеет форму шалаша. Заземление в этом случае необходимо выполнять с двух сторон троса.

Защита строений с черепичной крышей имеет свои особенности. Одним из решений при проектировании грозозащиты для такой кровли является использование сетчатого приемника разряда. Сетка выполняется из стальной проволоки диаметром не менее 6 мм и размером ячейки около 5-6 метров.

Контакт приемника разряда с токоотводом предпочтительно выполнять сваркой, но допускается и болтовое соединение.

Видео “Системы молниезащиты”

Токоотвод

Токоотвод выполняет важную роль в системе грозозащиты - отводит энергию разряда молнии в цепь заземления. Для этих целей хорошо подходит стальная проволока с диаметром 6 мм и более, так как проходящий через нее ток может достигать величин в сотни тысяч ампер.

Лучшим способом соединения токоотвода с приемником разряда и цепью заземления является сварка. При невозможности использования сварки можно использовать специальные болтовые зажимы, обеспечивающие хороший контакт соединений.

Токоотвод не должен проходить вблизи от оконных и дверных проемов, иметь минимальную (по возможности) длину и не содержать резких изгибов для обеспечения пожарной безопасности. Резкие изгибы токоотвода при попадании молнии в систему грозозащиты могут вызвать искрение и возгорание конструкций дома. Следует также избегать касания токоотвода к металлическим частям строения, например, гаражным воротам и тому подобному.

Заземление

Проектирование цепи заземления не представляет большой сложности. Следует учесть то, что по требованиям техники безопасности она должна находиться как можно дальше от входных дверей в дом, тропинок и других мест, где могут оказаться люди во время грозы.

Самое простое заземление можно выполнить путем вбивания толстого металлического прута (арматуры) на глубину двух-трех метров с последующим соединением его с токоотводом с помощью сварки или болтового крепежа. Желательно, чтобы площадь устройства заземления была побольше. Поэтому рекомендуется использовать несколько соединенных между собой прутьев. Если вбивание на такую глубину является проблемой из-за особенностей почвы, можно выкопать яму или траншею глубиной ни менее метра и уложить туда любую массивную металлическую конструкцию, например, спинку от старой кровати. А уже к этой конструкции путем сварки подсоединить токоотвод. Сварное соединение необходимо защитить от коррозии любым способом, например, покраской.

Активная защита

Этот вид защиты от молний был разработан в восьмидесятых годах прошлого столетия во Франции. Состоит из тех же основных частей, что и пассивная защита. Отличием является то, что приемник разряда молнии представляет собой устройство, которое формирует зону ионизированного воздуха вокруг него. Устройство не требует внешнего питания и активизируется при приближении грозы под действием изменения напряженности электрического поля. Считается, что такая зона ионизированного воздуха является своего рода приманкой для молнии, что обеспечивает большую в несколько раз площадь защиты.

Прямое попадание молнии в загородный дом – случай редкий, такое происходит раз в несколько лет. Тем не менее стоит обезопасить себя и еще до начала строительства продумать систему защиты от удара молнии

Можно ли обойтись без молниезащиты?

Ни в коем случае! По нескольким причинам:

• вероятность попадания молнии в дом хоть и мала, но все же существует. Особенно если строение возвышается над всеми остальными, находится на вершине холма или па берегу водоема;
• прямой удар молнии не единственная опасность во время грозы. Для электрической цепи дома и подключенной к ней техники опасны и попадания молнии в радиусе 200-500 м: они вызывают сильнейшие электромагнитные возмущения. Способны повредить технику и грозовые перенапряжения, появляющиеся из-за быстрых изменений электромагнитного поля во время грозы;
• отсутствие молниеотвода может стать причиной отказа в выплате страхового возмещения в случае пожара.

Если нельзя проложить токоотводы по кратчайшей траектории, их число увеличивают, а молниеприемники соединяют между собой. Таким образом ток от приемников распределяется по разным направлениям

Есть ли точные инструкции по устройству защиты от молнии?

К сожалению, пока нет официальных нормативов молниезащиты частных домов. Проектировщикам и домовладельцам остается полагаться на здравый смысл и опыт электриков. Единственный практический совет, которому нужно следовать неукоснительно: подумайте о молниезащите как можно раньше, еще на этапе проектирования дома и закладки фундамента. Окончательно она устанавливается на стадии разводки электричества по дому.

Как делается молниезащита?

Система молниезащиты состоит из нескольких частей: молниеприемника, токоотводов, заземления и специального оборудования, которое соединено с электрощитком и предохраняет сеть от скачков напряжения. Электрики называют первые три элемента внешней молниезащитой, а устройство в щитке – внутренней.

Молниеприемники самой простой конструкции – металлические штыри, высота которых зависит от высоты и площади здания. Так, для дома высотой 8 м и площадью 80-100 м2 понадобится штырь длиной около 1,4 м.

Для мансарды-мезонина потребуется отдельный токоприемник, который устанавливается на коньке ее кровли.

Токоотводы присоединяются к молниеприемникам – по два на каждый штырь. К заземлению они должны идти крат­чайшим путем. Именно поэтому специ­алисты настоятельно рекомендуют поза­ботиться о молниезащите еще на стадии проектирования: при прокладке токоотводов в уже построенном доме на пути могут встретиться окна, к тому же будет затруднительно сделать падежную изоля­цию токоотводов и спрятать их во вну­тренние элементы дома.

Заземлением обычно служит фунда­мент, где еще на этапе закладки должны быть предусмотрены детали для прикре­пления токоприемников. Если таких дета­лей нет, в фундамент вбивают отдельные штыри и соединяют между собой. Что­бы заземление не подвергалось коррозии, лучше использовать элементы из оцинко­ванного металла.

Для дома, стоящего на высоком песча­ном холме, нужен дополнительный кон­тур заземления: сухой песок – плохой заземлитель.

Помните: металлические оболочки всех подземных коммуникаций коттеджа обя­зательно должны быть связаны с конту­ром заземления!

Есть ли альтернатива штырям молниеотводам?

Модицифицированная и более надежная система но сравнению со штырями-молниеотводами – тросовая. На коньках крыши устанавливают два небольших штыря, между которыми проходит неизолированный провод. Вс конструкция служит токоприемником.

На городских зданиях используется еще один вариант – молниезащитная сеть . Это металлическая сетка с размером ячейки 6 м, проложенная по всей площади крыши. Провода обычно бывают убраны в бетонную стяжку крыши.

Эта технология подходит и для небольших частных домов, но с поправкой: провода рекомендуется прокладывать поверх материала кровли, иначе после удара молнии крышу придется ремонтировать.

Важно: молниезащитная сеть используется только на неметаллической кровле! За пределами сети не должно быть никаких металлических частей, в том числе сливов.

Металлическая кровля при правильном заземлении может работать как большой молнисприемник. Главное, чтобы под ней не было горючих утеплителей: в месте попадания молнии металл может очень сильно разогреться и даже расплавиться. Кстати, по этой причине лучше все-таки пользоваться другими вариантами молниезащиты: ремонт поврежденной крыши может обойтись недешево.

При строительстве коттеджных поселков может использоваться внешняя молниезащита активного типа, которая охватывает сразу несколько зданий. Она основана на принципе ионизации воздуха у молниеприемника и монтируется па специальных мачтах.

Молниеприемник активного типа устанавливается на расстоянии 1 м от самой высокой точки сооружения в поселке, зона покрытия активной системы составляет около 80 мг.

На заметку

Считается, что черепичные крыши безопаснее металлических. На самом деле вероятность попадания молнии не зависит от материала кровли. Сама по себе керамика – хороший изолятор, но любой металлический предмет (гвоздь, труба) под слоем черепицы сводит это преимущество на нет, потому что прямой удар молнии легко раскрошит даже самую толстую черепицу.