Рекомендации по молниезащите

SB ≥ 0,3RИ + 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 SB. Основную роль играет величина сопротивления заземлителя.

Заметим также, что если токоотвод имеет петлю длиной l (рис. 9), то падение напряжения на этой петле Ui = 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.

ГЛАВА 4. ЗАЗЕМЛЕНИЕ МОЛНИЕОТВОДОВ

4.1. Общие положения

Величина сопротивления заземлителя молниеотводов, если вблизи них во время грозы могут находиться люди, не должна превышать 10 Ом. Если же во время грозы вблизи молниезащитного устройства пребывание людей невозможно, то величина сопротивления заземлителя может быть не более 40 Ом*.

* Такое сопротивление допускается только для изолированных систем молниезащиты, особенно при использовании искусственных заземлителей молниеотводов, устанавливаемых на естественных несущих конструкциях (деревья, башни, трубы и т.п.), удаленных от домов на расстояние не менее 10 м.

Заземление молниеотводов выполняется с помощью забитых в землю вертикальных стальных стержней, уголков или труб, которые объединяются стальной полосой или прутком.

Сопротивление одного вертикально забитого заземляющего электрода R может быть рассчитано по формуле, Ом:

 (23)

где ρ - удельное сопротивление грунта, Ом · м; l - длина электрода, м; d - внешний диаметр для стержней и труб (или ширина полки уголка), м.

Применяются также заземлители, выполненные из стали круглого сечения или из полосовой стали, которые закладываются горизонтально на глубине 0,5 - 0,7 м. Сопротивление горизонтального заземлителя в виде луча рассчитывается по формуле, Ом:

 (24)

где l - длина электрода, м; t - глубина заложения, м; d - диаметр проводника круглого сечения или половина ширины стальной полосы, м.

Сопротивление горизонтального заземлителя в виде кольца диаметром D из круглой стали диаметром d (или полосы шириной 2d), уложенного на глубине t (t < D/2), равно, Ом:

 (25)

В глинистой или черноземной почве (ρ = 100 Ом · м) вертикальный стержень длиной 2,5 - 3 м имеет сопротивление приблизительно 30 Ом, а горизонтальная полоса длинной 5 м, уложенная на глубине 0,5 - 0,7 м, - приблизительно 25 Ом. Примерные сопротивления заземления, получаемые в разных грунтах с помощью одиночных электродов, приведены в табл. 2.

Таблица 2

Примерные сопротивления одиночных заземляющих электродов в разных грунтах

Грунт	Удельное сопротивление грунта ρ, Ом · м	Сопротивление, Ом
		стержня длиной 2,5 - 3 м	полосы длиной 5 м
Глина, чернозем	100	30	25
Смешанный грунт (глина, известняк, щебень)	150	45	40
Суглинок	200	60	50
Супесок	500	150	125
Песок	1000	300	250
Мергель, известняк	1500	450	375
Скалы	3000	900	750

Сопротивления будут иметь приведенные выше значения при стекании с электродов небольших по величине токов. При токах молнии плотность стекающего с электрода тока велика, поэтому в земле вблизи поверхности электрода создаются очень высокие напряженности электрического поля, превосходящие по величине пробивные напряженности для земли. Другими словами, в земле вблизи поверхности электрода ток молнии создает очень большое падение напряжения. Под действием этого падения напряжения вблизи электрода происходит пробой почвы, образуется зона искрения, как бы увеличивающая поперечные размеры электрода. Сопротивление электрода уменьшается. Этот эффект, возникающий при растекании тока молнии, учитывается так называемым импульсным коэффициентом αИ, который определяется экспериментально. Для вертикальных электродов и полос небольшой длины (до 10 м) αИ < 1. Сопротивление электрода RИ при стекании с него тока молнии определяется как

RИ = αИR (26)

и носит название импульсного сопротивления заземления. Эту величину мы использовали при определении допустимых расстояний между молниеотводом и защищаемым объектом.

Коэффициент αИ зависит от рода грунта и от величины тока, проходящего через один электрод заземлителя. Значения αИ приведены в табл. 3.

Если заземление выполняется несколькими стержнями или полосами, то сопротивление его при прохождении тока молнии будет иметь величину, Ом:

 (27)

где n - число электродов; ηИ - импульсный коэффициент использования.

Таблица 3

Значения импульсного коэффициента

Заземлитель	Грунт
	Глина, чернозем	Суглинок	Супесок	Песок
Вертикальные стержни, шт.:
2 - 4	0,5	0,45	0,3	-
8	0,7	0,55	0,4	0,3
Две горизонтальные полосы длиной по 5 м, расходящиеся в противоположные стороны от точки присоединения токоотвода	0,65	0,55	0,45	0,4
Три полосы длиной по 5 м, симметрично расходящиеся от точки присоединения токоотвода (под углом 120°)	0,7	0,6	0,5	0,45

Коэффициент ηИ учитывает ухудшение условий стекания тока с заземлителя, состоящего из нескольких близко расположенных электродов, вследствие взаимного экранирования последних. Растекание тока с каждого из электродов в сторону соседних затруднено (рис. 33), поскольку все электроды имеют одинаковый потенциал и напряженности поля в этом направлении оказываются существенно сниженными. В результате как бы уменьшается поверхность электродов, участвующая в отводе тока в землю, ухудшается их использование, и следовательно, увеличивается сопротивление заземления (ηИ < 1).

Рисунок 33. Распределение линий тока параллельно включенных заземляющих электродов

Коэффициент ηИ зависит от длины электродов, расстояния между ними и их геометрического расположения. Значение ηИ для заземлителей:

Из вертикальных стержней, объединенных полосой (расстояние между стержнями вдвое больше их длины) 0,75

Из двух горизонтальных полос, расходящихся в противоположные стороны от токоотвода 1

Из трех горизонтальных симметрично расходящихся от токоотвода полос 0,75

Отношение αИ/ηИ < 1 практически во всех случаях, поэтому сопротивление заземления, выполненного из нескольких электродов, можно приближенно определять как

RЗ.И. ≈ R/n. (28)

При этом действительная величина RЗ.И. будет меньше рассчитанной. Расчет по формуле (28) дает удовлетворительный результат при ρ = 100 - 200 Ом · м, для грунтов с плохой проводимостью (ρ > 200 Ом · м) ошибка может быть значительной.

 

 

 

 

 

Таблица 4

Связь импульсного сопротивления с сопротивлением заземления переменному току

RИ, Ом	RЗ., Ом
	Глина, чернозем	Супесок	Песок
5	5	7,5	10
10	10	15	20
20	20	30	40
30	30	45	60
40	40	60	80

Импульсное сопротивление заземления не может быть измерено. После монтажа заземлителя его сопротивление измеряется только на переменном токе. Для этой цели служат измерители заземления типа МС-07 и МС-08 и мегаомметры ЭСО 202-2, ЭК 4304 и т.п.

Зная требуемую расчетную величину импульсного сопротивления RИ можно определить предельно допустимую величину сопротивления заземления RЗ., измеренного на переменном токе для разных грунтов (табл. 4), и, наоборот, по величине RЗ. можно найти величину соответствующего RИ.

Поперечное сечение заземляющих электродов должно быть не меньше 50 мм2, при этом толщина полос, стенок труб или профильной стали должна быть не меньше 4 мм. В целях защиты от коррозии желательно применение оцинкованной стали. Покраска или покрытие битумом заземляющих электродов не допускается.

Верхний слой земли в летнее время сильно высыхает, что увеличивает сопротивление заземлителя, поэтому не только полосы должны закладываться на глубину не менее 0,5 м, но и стержни рекомендуется забивать так, чтобы их верхний край находился на расстоянии около 0,5 м от поверхности земли.

Отдельные электроды стержневого заземлителя объединяются общей стальной полосой сечением не менее 48 мм или стальным проводником круглого сечения диаметром не менее 10 мм. Соединение электродов с объединяющей полосой, а также присоединение к заземляющему устройству токоотводов предпочтительнее при помощи сварки. Можно также применять болты, но не менее двух в каждом месте соединения, при этом все элементы заземлителя и соединяющие их болты должны иметь антикоррозийное покрытие.

К заземляющему устройству следует присоединить проходящие поблизости от него металлические трубопроводы, если они есть (водяные, отопительные, канализационные), и если они не предназначены для горючих газов и жидкостей и не имеют антикоррозийных покрытий. Подземные трубопроводы из-за их большой протяженности могут обладать очень низким сопротивлением заземления, что следует использовать для уменьшения сопротивления заземления. Подземные трубопроводы (особенно водопровод), естественно, во многих случаях могут быть использованы в качестве единственного заземляющего устройства.

Помимо трубопроводов в качестве заземлителей могут быть использованы также обсадные трубы артезианских колодцев и скважин, металлические ограды и т.п. Сопротивление такого рода заземлителей во многих случаях настолько мало (RЗ. < 2 Ом), что они могут также использоваться в качестве единственного (общего) заземляющего устройства. Создание искусственных заземляющих устройств из стержней или полос, имеющих такую величину сопротивления, затруднительно.

При прохождении тока молнии как на самом заземлителе, так и на окружающих заземлитель участках поверхности земли появляются электрические потенциалы. Наиболее высокий потенциал UЗ = IMRЗ.И. возникает непосредственно на заземлителе. По мере удаления от заземлителя потенциал на поверхности земли уменьшается (рис. 34). Вблизи заземлителя потенциал уменьшается очень резко, затем изменение потенциала замедляется.

Рисунок 34. Изменение потенциала вблизи заземлителя при прохождении через него тока молнии