Молниезащита дома

Электрическая искра, называемая молнией, движется по сложной траектории. Причем далеко не каждая молния разряжается в землю – лишь 30% от всех возникших по время грозы. Наблюдатели отмечают, что молнии могут происходить не только из верхней точки неба, но и с его боков. Яркие полосы молний часто похожи на корни растения – причиной этого является лидирующий электроразряд (условно – лидер), скачкообразно перемещающийся в толще грозовой атмосферы и создающий ионизированный канал, по которому следом идет основной разряд. Лидер ищет в воздухе лучшие пути прохода к земле, он мечется из стороны в сторону и поэтому молния выглядит пучкообразно. Навстречу невидимому для человеческого глаза лидирующему заряду, происходящему в небе, устремляется отрицательно заряженный лидер от земли. Как только два ионизованных канала, проложенных лидерами «неба» и «земли», соединяются друг с другом, появляется молния. Обычно молниевых разрядов три, но происходят они практически подряд, поэтому для глаз наблюдателя слиты в одну молнию.

Удар молнии в здание приносит разрушения несущих конструкций, часто вызывает пожар. Но это лишь видимая часть проблемы. У молнии существуют еще поражающие факторы – поступление наведенного потенциала с образованием во внутренних сетях потребителей электромагнитной и электростатической индукции. За считанные доли секунды, в течение которых заряд молнии проходит через дом, все металлические предметы в нем получают разновеликую электродвижущую силу. И в участках сопряжения объектов из металла неминуемо возникнет электрический разряд. В результате электростатической индукции заряды противоположных знаков наводятся на предметы из металла, изолированные от земли (не заземленные) – это явление приводит к разряду между ними и заземленными объектами. Следствие обеих индукций – возгорание, удары электрического тока, выход из строя радиоэлектронных приборов. Наведенный потенциал заносится при прямом ударе молнии в металлические коммуникации, имеющиеся в здании – газопровод, электропроводка, водопровод и т.п.

Изобретателем молниеотвода считается американец Бенджамин Франклин, но его эксперименты скорее популяризовали систему защиты от молний. Молниеотводы, пару веков назад называвшиеся громоотводами, были известны в Европе и России до их открытия Франклином, только применялись в единичных случаях.

Российские собственники жилья, в последние годы активно переселяющиеся из мегаполисов в провинцию – "там экология лучше" – традиционно игнорируют угрозу молний. Большинство домовладельцев считает вероятность удара молнии по их коттеджу крайне низкой, ведь в городе разряды молний редко приводят к катастрофическим последствиям. Но молниезащита городских многоэтажек выполняется в обязательном порядке, иначе объект не будет принят госкомиссией. А в малоэтажном строительстве вопросы организации молниезащиты лежат целиком на застройщике, а он часто ставит на «авось пронесет и молния промажет».

Внешняя защита здания от молний

Чтобы максимально снизить вероятность входа заряда молнии непосредственно в конструкцию дома, применяется молниеотвод. В его составе три элемента – молниеприемник, в который поступает молния; токоотвод, отвечающий за подводку молниевого заряда к земле; заземлитель, передающий заряд толще земли.

Молниеприемник представляет собой стержень, трос или сетку из металла. Первый тип устанавливается в наивысшей точке кровли, металлический трос натягивается над коньком крыши. Сетчатый молниеотвод изготавливается из арматуры, стержни которой укладываются на кровле независимо от нее (перевязываются только между собой). Размеры ячейки арматурно-сетчатого молниеотвода составляют от 6 до 12 м.

Наиболее эффективную защиту от молний, бьющих напрямую, обеспечивает молниеприемник, максимально поднятый над землей. Диаметр защищенной зоны, центром которой является основание молниеприемника, будет равен значению высоты подъема молниеотвода, умноженному на три.Для реализации данного способа необходимо поместить молниеотвод на наиболее высоком дереве, стоящем отдельно, или выставить специальную мачту. Однако расходы на установку мачты довольно велики, к тому же она не улучшает ландшафтные виды. По этой причине в частном домостроении обычно создаются сетчатые или тросовые молниеприемники, а в случае кровель с неметаллическим покрытием можно устроить облегченную систему защиты от молний.

Помимо прямого удара молний в здание, во время грозы существует опасность возникновения высокоэнергетических импульсов в сетях центрального энергоснабжения. Такие импульсы могут обладать напряжением в несколько десятком киловольт, их длительность составляет обычно 1-700 микросекунд. В коттеджных поселках, где протяженность линий электрического снабжения равна нескольким сотням метров, грозы вызывают импульсивные скачки напряжения мощностью более 6000 В и силе тока порядка 3000 А. Для электросети внутри здания величина вероятного импульсного напряжения составляет менее 6000 В при наибольшей силе тока в 500 А. Грозовой энергетический импульс чаще всего проникает в электросеть через индуктивный канал, созданный стволом молнии.

Оказавшись в электросети с обычными рабочими параметрами (проводка 220 В, сеть пожарных извещателей, видеонаблюдение и др.), вызванный молнией импульс поражает любых пользователей, подключенных к электропитанию. Как правило, для защиты сетей от импульсных зарядов применяются грозоразрядники – четвертьволновые и газовые). При их способности снижать импульсное напряжение мощностью до 30 кВ и доводить его до безопасных 30 В, такие грозоразрядники обладают низкой скоростью на срабатывание. Время реакции металлооксидных варисторов ниже, но они нередко выдают чрезмерно высокое остаточное напряжение, превышающее допустимые величины. Быстрее всего срабатывают TVS-диоды, однако у них имеют собственные ограничения по току – не выше 200 А.

Молниезащита кровли упрощенная

Если неподалеку от защищаемого здания – в пределах 3-10 м – имеется дерево, высота которого как минимум двукратно превышает высоту самого строения (принимается во внимание наивысшая его точка, как-то трубы или антенны), то молниеотвод можно разместить на нем. С этой целью по древесному стволу протягивается токоотвод, верхняя точка которого выводится на 200 мм выше кроны дерева, а нижний конец соединяется с заземлителем, погруженным в грунт.

В случае если верхней точкой здания является конек кровли, то над ним закрепляется тросовый молниеприемник, поднятый над коньком на 250 мм и выше.Металлический трос монтируется при помощи деревянных планок, жестко соединенных со стенами дома. От такого молниеприемника токоотводы опускают с двух торцевых сторон постройки, затем крепят к заземлителям. При малой длине здания – менее 10 м – допустимо выводить лишь один токоотвод и заземлитель.

Для кровель, чья высшая точка располагается на дымовой трубе, подойдет стержневой громоотвод. Стержневой молниеприемник устанавливается на дымовой трубе с тем, чтобы его верхний конец был выше трубы на 200 мм. Токоотвод ведется к заземлителю по крыше и стене здания.

Металлическую кровлю необходимо соединять с заземлителем как минимум в одной точке, роль токоотводов при этом поручается водостокам, наружным металлическим лестницам и т.п. Важно соединить с кровельным металлом любые металлические объекты, имеющиеся на кровле и возвышающиеся над ее плоскостью.

Диаметр стержневых и тросовых молниеприемников, а также токоотводов во всех описанных выше случаях должен составить более 6 мм. Заземлитель представляет собой металлический электрод, диаметром более 10 мм и длиной порядка 2-3 м, заглубленный в грунте горизонтально или вертикально не менее чем на полметра от поверхности. Элементы молниеотвода соединяются между собой при помощи сварки и болтов.

Молниезащита кровли металлической

В отношении кровельного металла бытует мнение, что при закрытии им кровли потребности в молниезащите нет. Как правило, источником этой информации являются продавцы и производители металлочерепицы. Во-первых, металлическая кровля хоть и способна служить молниеприемником, однако без заземления толку не будет – необходимо вести от нее токоотводы, соединяя их с заземлителями.Во-вторых, от более-менее мощного заряда молнии кровельный металл не защитит, поскольку его толщина меньше 4 мм. Это означает, что молния попросту прожжет металлическую кровлю.

Здания, кровля которых закрыта металлом, необходимо защищать от молний точно так же, как и постройки с иными типами кровли – устанавливать молниеприемники, соединять их с токоотводами и заземлять.

В отношении крыши, закрытой металлочерепицей – ее способность в качестве молниеприемника зависит от методики соединения со стропилами. При наличии электрических связей между состыкованными друг с другом листами металлочерепицы ее можно задействовать в качестве молниеприемника, но лучше и правильнее будет установить над коньком самостоятельный молниеотвод с качественным заземлением.

Внутренняя молниезащита

Для защиты современных бытовых электроприборов от резких скачков напряжения, вызванных молниевым наведенным потенциалом, здания, к которым подведены воздушные электропередающие линии, необходимо оборудовать защитным оборудованием – разрядниками и ограничителями напряжения. К слову, еще два десятилетия назад такая защита от молний базировалась на токоотводе, соединяющем крюки изоляторов (к ним крепятся провода воздушки) с заземлителями.

Загородный коттедж, оснащенный дорогостоящим электрооборудованием, важно оснастить внутренней молниезащитой, поручив эту задачу профессионалам. Самостоятельно разобраться в характеристиках приборов, защищающих внутреннюю электросеть от проникновения заряда молнии, практически невозможно. Взять, к примеру, ограничители напряжения – они подразделяются на группы A,B,C и D, каждая из которых выполняет собственные задачи в комплексе молниезащиты, где первая линия обороны монтируется на опоре воздушной электролинии, а последняя размещается в электрическом щитке.

Правильное заземление дома

В обеих системах защиты от молний – внешней и внутренней – ответственная задача возлагается на организацию заземления. Токоотводы, идущие от молниеприемников, заземляются либо на фундаментную арматуру, либо на штыревые и рамные электроды, заглубленные в грунт. Следует учитывать, что замыкание токоотвода на арматуру фундамента неэффективно, если фундаментная конструкция гидроизолирована эпоксидными составами или влажность грунта на глубине залегания фундамента не превышает 3%.

Заземляющие электроды необходимо заводить в землю так, чтобы ввести их во влажные грунтовые слои. Но достичь необходимого результата удается не всегда, тем более, если в почве имеются включения скальных пород.Кроме того, состав почвы влияет на ее удельное сопротивление – на смешанных грунтах оно составит примерно 150-200 Ом, а на скальных значение сопротивления возрастает до 3000 Ом. Правильное заземление проводится, исходя из замеров удельного сопротивления почвы вблизи коттеджа, определения числа электродов и величины их поперечного сечения, а также глубины, на которую следует погрузить штыревые заземлители. В ситуации, когда грунты имеют высокое удельное сопротивления, заземляющие электроды необходимо соединять с проходящими неподалеку кабелями (с их свинцовой оболочкой), трубами водопровода или обсадными трубами артезианских скважин.

На скальных грунтах реализовать заземление практически невозможно. В этом случае основное внимание следует обратить на создание системы выравнивания потенциалов. Даже высокий потенциал сети будет безопасным, если в нем не случится перепадов, вызывающих искрения.

В ходе расчетов безопасной и допустимой дистанций между зданием и молниеотводом очень важно учитывать удельное сопротивление грунта. Шаговое напряжение, присутствующее на определенной дистанции от заземляющих электродов, может иметь высокое значение и вызвать угрозу жизни. Требуется обозначить вокруг заземлителей зону как минимум пятиметрового радиуса, в которую опасно заходить во время грозы из-за возможности получить удар тока от напряжений прикосновения или шагового.

Оптимальные характеристики элементов молниезащиты были выведены в ходе многолетнего изучения последствий ударов молний. Так, например, минимальное поперечное сечение заземляющих стержней должно быть более 50 мм², а толщина стенок профилированных и обычных труб, а также полосовой стали – более 4 мм. От коррозии электроды будут защищены, если использовать омедненную или оцинкованную сталь. Наносить лакокрасочное или схожее покрытие (например, смолу) на электроды нельзя, поскольку это снизит их характеристики в качестве заземлителей. Условия к заглублению электродов основаны на простом практическом наблюдении – верхний слой почвы в летний сезон иссушается, в результате возрастает его удельное сопротивление.

В идеале сопротивление заземления следует рассчитывать для каждого конкретного объекта в отдельности. Дело в том, что напряжение короткого замыкания (пробоя) развивается от 300-500 кВ/м. Заряд молнии во время его движения по молниеотводу способен достичь силы тока в 200000 А. При этом молниеотвод обладает сопротивлением заземления не более 10 Ом. Выходит, что в молниеотводе может возникнуть напряжение, мощность которого многократно превзойдет напряжение пробоя. И если система заземления будет выстроена неправильно или молниеотвод окажется расположен чересчур к защищаемому зданию, то неизбежен пробой – молниевый заряд постарается замкнуться на трубы системы отопления, внутреннюю электропроводку и иные коммунальные сети, расположенные внутри постройки.

Таким образом, средние параметры сечений элементов молниезащиты не всегда оказываются эффективными. Максимальная защита от молний достигается только при выполнении профессиональных расчетов для конкретных объектов.

В завершении

Во время грозы наблюдатели нередко отмечают, что молнии проходят мимо высоких строений и разряжаются неподалеку от них. Но есть и другой факт – больше всего молний происходит подле высоких объектов. Причина этого явления связана с поведением лидера, устраивающего ионизированный канал от земли к облакам – он притягивает «облачных» лидеров не только из сектора над собой, но и от краев грозового облака. Причем крайним «облачным» лидерам обычно не удается замкнуть ионизированный канал на «земного» лидера, идущего от высокого наземного строения, поэтому они замыкаются на других лидеров, формирующих каналы от зданий меньшей высоты.

Другими словами любой высокий объект, будь то дерево или ретрансляционная мачта сотового оператора, притягивает в район своего расположения значительное количество молний. И если неподалеку от загородного коттеджа имеется такой высотный объект, то вероятность удара молнии существенно возрастает и требуется в обязательном порядке выстроить молниезащиту собственного здания.

Дешевле всего позаботится о проектировании и построении системы молниезащиты на стадии проектирования и возведения самого здания. Этот ход также позволит органично вписать элементы молниевой безопасности в архитектуру коттеджа.