Рекомендации по молниезащите

Резкое падение потенциала вблизи заземлителя опасно для людей, оказавшихся поблизости от него во время разряда молнии. Если человек стоит на некотором расстоянии х от заземлителя и касается токоотвода, то он оказывается под разностью потенциалов (UЗ - Uх), называемой напряжением прикосновения. Человек подвергается опасности, если даже он и не касается токоотвода, но ноги его находятся на разных расстояниях y и z от заземлителя (во время ходьбы). В этом случае ноги человека попадают под разность потенциалов (Uy - Uz), которая называется шаговым напряжением.

Напряжение прикосновения и шаговое напряжение зависят от величины сопротивления заземления и могут быть снижены до безопасных величин только при очень малом сопротивлении заземления, которое трудно выполнить. Поэтому не рекомендуется пребывание людей во время грозы в непосредственной близости (до 5 м) от заземлителя, в частности, как это уже отмечалось, не следует укрываться под отдельно стоящими высокими деревьями. В целях безопасности людей заземлители должны располагаться возможно дальше (на расстоянии больше 5 м) от проезжих дорог и тротуаров или же ограждаться. Токоотводы и заземлители должны быть удалены от входа в дом.

Уменьшение напряжений прикосновения и шагового может быть достигнуто с помощью применения специальных типов заземлителей - так называемых заземляющих контуров. Заземляющий контур состоит из забитых в землю стержней, соединенных полосой, или же только из полос, которые располагаются по контору защищаемого дома, образуя многоугольник. Если расстояние между противоположными сторонами контура заземления велико, то внутри контура дополнительно помещаются на расстоянии порядка 2 м друг от друга полосы выравнивания потенциала, которые электрически соединяются с контуром. Примерное распределение потенциалов по поверхности земли внутри контура без полос, выравнивающих потенциал, представлено на рис. 35 кривой А. Кривая Б дает распределение потенциалов при применении полос, выравнивающих потенциал. В последнем случае внутри контура шаговое напряжение и напряжение прикосновения существенно снижаются.

Рисунок 35. Распределение потенциалов на поверхности земли при стекании с заземляющего контура тока молнии

Для уменьшения шагового напряжения с внешней стороны контура применяется укладка на постепенно увеличивающейся глубине дополнительных полос, которые соединяются с контуром заземления. Благодаря этим полосам уменьшение потенциала земли в направлении от контура идет более полого (рис. 36) и шаговое напряжение снижается, однако зона высоких потенциалов земли при этом увеличивается.

Выравнивающими распределение потенциалов свойствами обладает также кольцевой заземлитель, особенно если он состоит из двух колец разного диаметра, расположенных на различной глубине (рис. 37). Импульсное сопротивление такого заземлителя с диаметром большего кольца 5 м в глинистых или черноземных грунтах составляет примерно 5 Ом, в супесчаных грунтах - 15 Ом.

Рисунок 36. Снижение шагового напряжения за пределами контура заземления

Рисунок 37. Распределение потенциалов по радиусу кольцевого заземлителя

4.2. Расчет сопротивления  заземляющего устройства молниеотвода

Для заземления молниеотводов часто требуется заземлитель с импульсным сопротивлением не более 10 Ом. Такой заземлитель может быть выполнен из двух стержней, объединенных полосой или круглой сталью (см. рис. 38).

Для стержней (электродов) может быть взята сталь круглая диаметром не менее 12 мм, стальная труба диаметром 60 мм или уголок с полкой 40 - 50´4 мм. Электроды длиной 2,5 м забиваются в землю на глубину не меньше 0,5 - 0,6 м от поверхности земли с расстоянием между ними не меньше 5 м. Между собой электроды соединяются стальной полосой 4´40 мм или круглой сталью диаметром не менее 10 мм.

Токоотвод присоединяется к середине заземлителя.

Рисунок 38. Заземлитель из двух стержней, объединенных полосой

Рассчитаем приближенно [формула (28)] сопротивление такого заземлителя, если грунт имеет удельное сопротивление ρ = 100 Ом · м. По табл. 2 сопротивление одного стержня составляет 30 Ом, значит сопротивление двух параллельно соединенных стержней будет равно 15 Ом. Объединяющая полоса длиной 5 м имеет сопротивление 25 Ом. Сложим сопротивление стержней и параллельно им включенное сопротивление полосы и получим, таким образом, величину сопротивления заземления:

Сделаем более точный расчет того же заземлителя. Сопротивление одного стержня при переменном токе по формуле (23)

Для двух стержней импульсный коэффициент αИ по табл. 3 составляет 0,55, а коэффициент использования ηИ равен 0,75 (см. выше). Импульсное сопротивление двух стержней находим из формулы (27).

Сопротивление полосы длиной 5 м при переменном токе составляет [формула (24)]:

Примем по табл. 3 αИ = 0,65 (как и для полосы длиной 10 м). Коэффициент использования полосы в системе со стержневыми электродами ηИ равен 0,75. Импульсное сопротивление полосы равно:

Импульсное сопротивление заземлителя, таким образом, равно:

Как видим, результат сравнительно мало отличается от величины сопротивления, полученной с помощью приближенного расчета.

Заземлитель, имеющий импульсное сопротивление не более 10 Ом, может быть выполнен без стержневых электродов только с помощью полос. Как было определено выше, сопротивление на переменном токе полосы, уложенной на глубине 0,6 м в грунт с ρ = 100 Ом · м, равно 24,6 Ом. Для двух полос по табл. 3αИ = 0,65, а ηИ = 1 (см. выше). Таким образом, импульсное сопротивление заземлителя из двух полос, расходящихся в противоположные стороны от точки присоединения токоотвода, составляет:

Пример: Для заземления молниезащитного устройства требуются заземлители с импульсным сопротивлением 20 Ом. Рассчитаем заземлитель для грунта с ρ = 500 Ом · м (супесок). Сопротивление одной трубы длиной 3 м и диаметром 6 см в таком грунте при переменном токе (23) составляет:

Если использовать три трубы, то определив, как и раньше, αИ = 0,3 и ηИ = 0,75, находим импульсное сопротивление заземлителя из трех труб

Если учесть соединительные полосы, то сопротивление будет еще более низким.

Легко убедиться, что приближенный расчет по данным табл. 2 и формуле (28) в этом случае дал бы значительную ошибку. Как уже указывалось, пользоваться приближенным методом расчета можно только при низком удельном сопротивлении грунта (до 500 Ом · м).

ГЛАВА 5. ОЦЕНОЧНОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВЫСОТЫ И ЗОНЫ ЗАЩИТЫ СТЕРЖНЕВЫХ МОЛНИЕОТВОДОВ

Как было сказано ранее задача, которую ставит перед собой автор книжки, заключается в том, чтобы читатель, желающий понять смысл и принципы организации молниезащиты дома, мог четко уяснить себе, что представляет собой эта задача и простейшим способом предварительно определить, как может выглядеть конструкция его молниезащитного сооружения.

Не вдаваясь в сложные расчеты зоны защиты, возможной частоты прямого поражения дома молнией, определить приблизительно способ защиты, требующий минимальных затрат и обеспечивающий надежную защиту от прямого поражения молнией.

Для этого существуют проверенные временем различные номограммы для графического определения основных параметров защитного сооружения (молниеотвода), выбираемых с помощью этих номограмм в соответствии с физическими параметрами защищаемого дома.

Если, к примеру, рядом с домом растет высокое дерево, то прежде чем пытаться возводить отдельно стоящий или установленный на доме молниеотвод, убедитесь с помощью номограммы, не сможет ли дерево, растущее рядом, выполнить функцию несущей конструкции молниеотвода. И если высота обеспечивает необходимый радиус защиты наиболее удаленной и высокой части защищаемого дома - смело используйте это дерево, оснастив его молниеприемником, токоотводом и заземлителем в соответствии с рекомендациями, приведенными в настоящей книжке. При этом, все-таки, окончательное решение пусть примет специалист, т.к. только он сможет учесть все особенности выбранного вами типа молниезащитного устройства.

Только специалист сможет провести расчеты с учетом всех особенностей. Например, Вы определили по номограмме, что высота дерева обеспечивает необходимый радиус защиты. Но во время грозы, как правило, порывы ветра достигают высоких скоростей и верхушка дерева с установленным на ней молниеприемником, может значительно отклоняться в противоположную сторону и «увести» за собой защитную зону настолько, что часть дома окажется вне зоны защиты и может быть пораженной молнией. Кроме того, в стандартах МЭК и ряда Европейских стран, в отличие от действующих в нашей стране нормативов по молниезащите, существуют жесткие требования к размерам защитной зоны молниеотвода в зависимости от его высоты.

Поэтому, разобравшись в элементарных принципах молниезащиты Вы сможете с помощью специалиста-проектировщика, имеющего лицензию на право выполнения проектных работ, окончательно выбрать самый эффективный по надежности и затратам способ молниезащиты вашего дома с учетом архитектурных особенностей, ландшафтных, эстетических и др. требований. Это ваш дом. Он должен быть надежным и безопасным, красивым и удобным, радующим глаз. Если же вы решили выполнить молниезащиту дома после завершения его строительства и вас не устраивает сооружение дорогостоящего отдельно стоящего, уродующего ландшафт молниеотвода и вы решились установить молниеотвод на доме, то в этом случае предстоит решить много дополнительных задач, вытекающих из требований безопасности при протекании тока молнии во время разряда; локализации токоотводов от строительных конструкций, горючих поверхностей; шагового напряжения и т.п.

Графическое построение зон защиты молниеотводов несложно, но требует некоторых пояснений. Для быстрого и простого определения наименьшей высоты одиночного и двойного стержневых молниеотводов можно пользоваться номограммами (рис. 22, 24, 26). По этим номограммам высота молниеотвода для любого дома несложной конфигурации может быть определена без графического построения зоны защиты. Исходными данными для пользования номограммами являются основные размеры дома (hx, rx, rа) и расстояния между молниеотводами (L).

В номограммах приняты буквенные обозначения:

h - искомая высота одиночного стержневого молниеотвода;

hx - высота наиболее возвышающихся частей дома от уровня земли;

rx - расстояние от молниеотвода до наиболее удаленных частей на высоте hx;

h0 - наименьшая высота зоны защиты между молниеотводами при защите двумя молниеотводами;

rсх - половина ширины дома при симметричном расположении его относительно прямой линии, соединяющей молниеотводы, или расстояние от этой прямой до наиболее удаленной точки здания, в середине между молниеотводами равной высоты;

L - расстояние между молниеотводами.

Примечание. Величины h0, rcx, L необходимы для определения высоты двойного стержневого молниеотвода.

Рисунок 39. Номограмма для определения высоты одиночного стержневого молниеотвода

На рис. 39 приведена номограмма для определения высоты h одиночного стержневого молниеотвода. Она состоит из четырех шкал: левой с величинами rx (rсх); правой с величинами hx; двух средних шкал (I и II) с величинами h (h0).

Способ пользования номограммой следующий. На левой и правой шкалах соответственно отмечаем величины rх и hx. Накладывая линейку на эти отметки (точки), проводим линию. Линия пересекает в некоторых точках I и II шкалы, на которых нанесены высоты молниеотводов в метрах. Значение искомой высоты молниеотвода должно быть взято только по одной из шкал.

Какое же из двух полученных значений h следует принять? Чтобы решить это, делим величину hx на rх, (rсх). Если полученное отношение меньше 2,67, то нужно брать величину h по шкале I. Если же полученное отношение больше 2,67, то величина h определяется по шкале II.

Пример 1. Дано: hx = 7 м, rх = 5 м, тогда

Следовательно, в этом случае величина h определяется по I шкале. По номограмме (см. рис. 39) величинам hx и rх соответствует величина h, равная 12 м.

Пример 2. Дано: hх = 16 м, rх = 4 м, тогда

Следовательно, величину h нужно определять по шкале II. По номограмме данным величинам hx и rх соответствует величина h, равная 21 м.

На рис. 40 приведена номограмма для определения высоты двойного стержневого молниеотвода. Она состоит из вертикальной шкалы (слева) с величинами h0 горизонтальной шкалы (внизу) с величинами L и целого ряда значений величины h, изображенных кривыми линиями.

Определение высоты двойного стержневого молниеотвода производится следующим образом.

По номограмме (см. рис. 39) способом, изложенным выше, для определения высоты одиночного стержневого молниеотвода, определяются точки на шкале I или II, но при этом вместо rх задается величина rсх.

Рисунок 40. Номограмма для определения высоты двойного стержневого молниеотвода

Величины, найденные по шкале I или II, в этом случае дадут не искомую высоту двойного стержневого молниеотвода h, а высоту зоны защиты в середине между молниеотводами h0, пользуясь которой, можно по номограмме (см. рис. 40) уже определить искомую высоту h.

Делается это следующим образом. На вертикальной шкале (слева) отмечается найденная величина h0, а на горизонтальной - величина L. Через отмеченные точки проводят взаимно перпендикулярные линии, точка пересечения которых укажет кривую линию с обозначенной на ней искомой величиной h.