Системы молниезащиты и заземления

Молниезащита

– это комплекс технических мероприятий для обеспечения безопасности зданий и сооружений, а также имущества и людей, находящихся в нём.

Классификация объектов определяется по опасности ударов молнии для самого объекта и его окружения в соответствии с ПУЭ. По одному из двух основополагающих документов по проектированию молниезащиты, РД. 34.21.122-87, выделяют три категории зданий и сооружений. Для каждой из них построение системы молниезащиты будет выполняться по определенным нормам. Отнесение к той или иной категории зависит от значимости сооружения, наличия в нем опасных веществ, частоты попадания молнии в здание и т.д.

Защита от прямых ударов молнии зданий и сооружений, относимых по устройству молниезащиты к первой категории, должна выполняться отдельно стоящими стержневыми или тросовыми молниеотводами.

Ко второй категории относят здания, которые тоже содержат в себе взрывоопасные вещества. Сюда же относятся наружные технологические установки, открытые склады с горючими, либо взрывоопасными смесями и жидкостями, которые легко воспламеняются. Молниезащита второй категории выполняется посредством установки молниеприемной сетки с шагом ячейки не более 6х6 м, а также отдельно стоящими или установленными на защищаемом объекте стержневыми или тросовыми молниеотводами.

Третья категория включает в себя здания, которые расположены на территории, где грозы длятся более 20 часов в год. Данная категория молниезащиты направлена на защиту объекта от прямого попадания молнии, а также от заноса высокого потенциала. Защита зданий, относящихся к третьей категории молниезащиты, выполняется по аналогии с молниезащитой второй категории, но с другим шагом сетки (не более 12х12 м)

В некоторых случаях устройство того или иного элемента системы молниезащиты не требуется. В частности, во всех возможных случаях в качестве заземлителей защиты от прямых ударов молнии следует использовать железобетонные фундаменты зданий и сооружений. Кроме того, согласно второму, равноценному РД. 34.21.122-87 руководству по проектированию молниезащиты, СО153-34.21.122-2003, сама кровля может служить естественным молниеприемником в случае выполнения следующих условий:

История появления

До начала 2000 годов на российском рынке проектирование молниезащиты осуществлялось в соответствии с инструкцией по устройству молниезащиты зданий и сооружений РД 34.21.122-87, многие положения которого значительно устарели. Так, соединение и монтаж всех элементов осуществлялись сваркой, атрибуты принадлежности строения к той или иной категории молниезащиты устарели, а средства защиты от импульсных перенапряжений практически не предусматривались. Кроме того, в качестве проводников зачастую использовались кустарные стальные пруток/полоса без покрытия горячим цинком, что сокращало срок службы системы молниезащиты. В начале 2000-х годов вышла более современная инструкция по устройству молниезащиты зданий, сооружений и промышленных коммуникаций СО 153-34.21.122-2003, которую было разрешено использовать наравне с РД 34.21.122-8 в соответствии с разъяснением Ростехнадзора.

Состав системы и отличительные особенности

Системы молниезащиты подразделяются на внешнюю и внутреннюю. К внешней системе молниезащиты относятся пассивная и активная молниезащита. К внутренней системе – устройства защиты от импульсных перенапряжений (УЗИП). Данные виды защиты в комплексе защищают здание от молнии с вероятностью более 98 %.

Внешняя молниезащита

Внешняя молниезащита представляет собой систему, обеспечивающую перехват молнии и отвод её в землю, тем самым, защищая здание или сооружение от повреждения и пожара. В момент прямого удара молнии в строительный объект правильно спроектированное и сооруженное молниезащитное устройство должно принять на себя ток молнии и отвести его по токоотводам в систему заземления, где энергия разряда должна безопасно рассеяться

Стержневые молниеприемники

Применяются для защиты от ударов молнии выступающих над общей кровлей надстроек и оборудования. Могут крепиться как к боковой стене надстройки (вытяжная шахта, машинное отделение лифтов и т.д.), так и устанавливаться непосредственно на кровлю рядом с оборудованием (внешние блоки кондиционирования, антенны). Высота такого стержня может быть различной – от 1 до 10 метров. В зависимости от высоты молниеприемника, меняется и тип основания, на которое он установлен. Зона защиты такого молниеприемника, согласно российским нормативам, представляет собой некий конус, внутрь которого должны попадать защищаемые конструкции и оборудование. Как правило, длина и расположение молниеприемника должны выбираться инженером-проектировщиком на основании действующих норм. Стержни выполнены изалюминия, меди или нержавеющей стали, что гарантирует их долговечность.

Проводники

Проводники предназначены для приема на себя удара молнии, равномерного отведения ее тока в землю и растекания в ней. Для защиты протяженного объекта от удара молнии целиком, как правило на его кровле монтируется молниеприемная сетка, которая представляет собой разложенную квадратами по всей площади кровли проволоку диаметром 8–10 мм. Сторона такого квадрата составляет 6–12 м, в зависимости от категории здания. От сетки к земле по фасаду здания прокладываются токоотводы, для этого могут использоваться как пруток, так и полоса 25х4 и 40х4 мм. Токоотводы присоединяются к контуру заземления, который прокладывается под землей (глубина не менее 0,7 м) и выполняется как правило из полосы 40х4 мм. Проводники выполнены из горячеоцинкованной стали, что дает срок эксплуатации, в разы превышающий срок использования проводников из черного металла, и является сопоставимым с сроком эксплуатации защищаемого объекта.

Держатели и крепления проводников

Держатели и крепления проводников необходимы для изоляции проводников от кровли и фасада здания. Эта процедура требуется для более успешного перехвата канала молнии сеткой и избежания опасности возникновения пожара, т. к. в месте удара молнии проводник сильно нагревается. Ассортимент включает большой выбор держателей для удобного монтажа молниеприемной сетки на любые виды кровель, а также фасадные держатели различной длины для всех видов проводников. С их помощью можно осуществить крепление с соблюдением необходимого расстояния между токоотводом и фасадом здания.

Соединители

Соединители – предназначены для узлов соединений любых типов проводников, например пересечений в молниеприемной сетке, или подключения токоотводов к сетке и контуру заземления. Соединения осуществляются болтовым способом, что позволяет избежать сварных работ, нарушающих защитный слой цинка и приводящих к преждевременной коррозии. Следует отметить, что помимо этого болтовые соединители позволяют осуществить монтаж быстрее, и в случае необходимости позволяют легко демонтировать молниеприемную сетку, например для облегчения работ по ремонту кровли.

Заземлители

Заземлители используются для уменьшения сопротивления контура заземления. Они забиваются в землю и присоединяются к контуру заземления из полосы 40х4, проложенному по периметру защищаемого здания. Горизонтальное расстояние между заземлителями как правило равно их длине. В ассортименте имеются как профильные, так и стержневые заземлители с необходимой по нормативам площадью поперечного сечения. Стержневые заземлители при помощи специальных муфт можно наращивать до необходимой длины с шагом 1,5 метра. Кроме того, в ассортименте имеются аксессуары для заземления: соединители для подключения к полосе, ударный наконечник, точка заземления и т.д.

Аксессуары

Сопутствующие приспособления и аксессуары облегчают работу монтажников по выпрямлению и изгибанию проводников при построении системы молниезащиты. Также в ассортименте есть антикоррозийная лента для дополнительной защиты проводников в местах наиболее подверженных коррозии (место входа токоотвода вземлю) и цинковая краска-спрей для обработки мест, в которых необходимо провести сварные работы.

Устройства для активной молниезащиты

В основу данного комплекса молниезащиты входит активная молниеприемная головка. Также система предусматривает наличие системы заземления.

Активная молниеприемная головка состоит из устройства управления нагрузкой, устройства хранения высокого напряжения, устройства стримерной эмиссии, усилителя импульсов высокого напряжения.

Принцип действия активной молниезащиты напрямую зависит от динамики разряда молнии. В подавляющем большинстве случаев разряд начинает развиваться из облака. В облаке начинает накапливаться электрический заряд. При достижении порогового значения, достаточного для преодоления сопротивления воздуха, образуется нисходящий лидер. Через некоторое, время навстречу ему с наивысшей точки, на которой устанавливается активный молниеприемник, стартует встречный лидер. При этом встречный лидер развивается с гораздо большей скоростью и его полярность обратна полярности грозового фронта и, соответственно, нисходящего лидера. В момент, когда они встречаются, происходит выравнивание потенциалов, которое называют "главным атмосферным разрядом".Таким образом, разряд неизбежно следует по образованному ионизированному пути с низким сопротивлением и через систему заземления уходит в землю.

Применение системы активной молниезащиты особенно оправдано в случаях, когда в силу специфики защищаемого объекта, невозможно применить какую-либо традиционную молниезащитную конструкцию, например, в морском порту, на строительной площадке или в месте скопления большого количества людей.

Внутренняя молниезащита

Внутренняя молниезащита представляет собой совокупность устройств защиты от импульсных перенапряжений –УЗИПов. Назначение УЗИПов состоит в защите электрического и электронного оборудования от перенапряжений в сети, вызванных резистивными и индуктивными связями, возникающих под воздействием тока молнии. Общепринято выделяют перенапряжения, вызванные прямыми и непрямыми ударами молнии. Основой УЗИП является элемент с нелинейным сопротивлением. Это означает, что сопротивление может варьироваться в зависимости от условий. В рабочем режиме при отсутствии импульсных напряжений ток, проходящий через УЗИП, можно считать нулевым, и поэтому УЗИП в этих условиях представляет собой изолятор и беспрепятственно может быть установлен между фазным и заземляющим проводником. При возникновении импульса напряжения УЗИП резко уменьшает свое сопротивление и пропускает импульс через себя на заземление, рассеивая поглощенную энергию в виде тепла. В этом случае через варистор кратковременно может протекать ток, достигающий нескольких тысяч ампер. Таким образом, импульс "срезается" и на находящееся под защитой устройство попадает нормализованное напряжение и ток.

Величина импульса перенапряжения может сильно отличаться и зависит от нескольких параметров. УЗИП к разделяются на три основных класса. Каждый класс УЗИП подразумевает использование в конкретной области и имеет конструктивные особенности: основу УЗИПов могут составлять газонаполненные разрядники или варисторы. Первые используются в УЗИПах первого класса, так как разрядники способны воспринимать высокое напряжение, но не чувствительны к небольшим скачкам. Что касается варисторов, то они составляют основу УЗИПов второго и третьего классов. Далее мы рассмотрим каждый класс УЗИП подробнее.

УЗИП I класса

Данные устройства предназначены для установки в зданиях с громоотводами, а также в зданиях, подключенных воздушными линиями, в отдельно стоящих зданиях, или зданиях, находящихся рядом с высокими объектами. По этим же рекомендациям городская квартирная и офисная проводка не требует установки УЗИП первого класса, так как считается, что класс один уже есть на КТП. Обычно УЗИП класса 1 устанавливается только в сельской местности, где применяются воздушные линии электропередачи. Благодаря газонаполненным разрядникам УЗИП первого класса способно пропустить через себя всю энергию типичного удара молнии, не разрушившись.

УЗИП II класса

УЗИП второго класса выполнены на основе оксидно-цинковых варисторов. Их рекомендуется применять для защиты сетей низкого напряжения от импульсов перенапряжения, возникающих при коротких замыканиях, коммутации энергоемкого оборудования или удаленном ударе молнии в питающую сеть. УЗИП класса 2 устанавливаются на уровне распределительных щитов и не способны самостоятельно, без предшествующего класса 1, выдержать без разрушения удар молнии. Однако же его живучесть гарантируется в случае совместного применения с УЗИП первого класса.

УЗИП II + III класса

Данные устройства предназначены для защиты чувствительного электронного оборудования и поэтому должны устанавливаться непосредственно вблизи с защищаемым оборудованием. Наиболее характерные сферы применения – различные IT решения и медицина, для защиты высокочувствительной электроники. Комбинированные УЗИП второго и третьего классов выполнены на основе оксидно-цинковых варисторов с фильтром электромагнитных помех. Для обеспечения долговременной работоспособности необходимо устанавливать УЗИП II + III классов совместно с устройствами первого класса.

Защитить все оборудование внутри здания одним только классом обычно не удается, так как невозможно заранее предугадать параметры поступающих импульсов. Например, если мы применим только первый класс УЗИП (NX1001, NX1012), он, безусловно, нейтрализует большую часть импульса от прямого удара молнии в питающую воздушную линию. Однако велика вероятность того, что оставшегося импульса будет по-прежнему достаточно, чтобы нанести вред электротехнике внутри здания. Кроме того, нижний порог срабатывания УЗИП I класса обычно высок и нет уверенности, что однажды мы не получим импульс выше допустимого для электрооборудования, но ниже порога срабатывания.

При применении только второго класса УЗИП (NX2011-NX2042) мы имеем гарантированное своевременное срабатывание, но такой УЗИП может пропустить через себя только сравнительно небольшой импульс, например, наведенный удаленным ударом молнии, и не сохранит оборудование от мощных импульсов прямых ударов. Существуют комбинированные УЗИП класса I+II (NX1211-NX1242) или II+III (NX3011). Такие устройства сочетают в себе свойства сразу двух, а иногда и трех классов. Их характеристики позволяют подобрать способ защиты наиболее универсально.

Область применения

Выбор решения и правильный монтаж

Система молниезащиты обеспечивается на объектах путем размещения защитного оборудования возле здания или непосредственно на самом здании.

Подбор оборудования для молниезащиты проводится в несколько этапов:
• определяется категории здания или сооружения в зависимости от требуемого уровня защищенности;
• здания и сооружения I категории должны быть защищены отдельно стоящими стержневыми или тросовыми молниеотводами;
• здания II и III категории должны быть защищены молниеприемной сеткой, которая устанавливается на кровлю здания (шаг сетки не должен превышать 6 и 12 м для II и III категории соответственно). Выступающие над кровлей металлические элементы должны быть присоединены к молниеприемной сетке, а выступающие неметаллические элементы – оборудованы дополнительными молниеприемниками.
• смонтированную сетку необходимо заземлить. По фасаду здания монтируются спуски проводника к заземлителю, они называются токоотводами;
• далее токоотвод спускается под землю и при помощи болтовых соединителей крепится к контуру заземления.

На местах ввода проводника в землю, проводник обматывается антикоррозионной лентой; контур заземления строится следующим образом: по периметру здания, на расстоянии не менее 1 метра от фундамента по горизонтали и не менее 0,5 метра от поверхности земли по вертикали, прокладывается стальная полоса, сечением 40х4 мм. Для уменьшения сопротивления растеканию тока молнии горизонтальный контур дополняется вертикальными заземлителями. Длина вертикального заземлителя, как правило, составляет от 2 до 5 метров. В случае грунтов с большим удельным сопротивлением (скалистые, вечная мерзлота) могут потребоваться более длинные вертикальные заземлители. Расстояние между заземлителями, как правило, равняется их длине, но может быть и длиннее, при небольших сопротивлениях грунта.