Что такое грозозащита

Одномоментно на Земле происходит около полутора тысяч гроз. Их воздействие на здания, сооружения и объекты, имеющие важное социальное значение, приносит колоссальные убытки, ведет к гибели людей, лишает жизненно важных благ населенные пункты и целые регионы. Обеспечение качественной грозозащиты позволяет защитить людей, оборудование, строения и избежать ущерба и снижения качества жизни.

Гроза как физическое явление

В сравнении с другими явлениями природы только мощные, внезапные наводнения причиняют больший ущерб человечеству, чем грозы. И если наводнения случаются нечасто и локально, гроза – явление повсеместное. Она начинается при определенных атмосферных условиях, когда в массе кучево-дождевых облаков или между ними и поверхностью земли возникает электрическое поле. Оно растет, пока не достигнет критического значения, что приводит к возникновению разряда – молнии, сопровождаемому характерным звуком.

Молнии бывают трех типов:

• Верхнеатмосферные – могут возникнуть на любом уровне, от стратосферы, до термосферы. Они простираются на огромные пространства, иногда до границы с космосом и не представляют опасности.
• Внутриоблачные – с наибольшей частотой возникают по мере приближения к экватору. В случаях, когда происходят накопление электрического поля определенной силы, достаточного для ее поддержания, но недостаточного для возникновения разряда спровоцировать возникновение молнии может металлический объект, например длинный трос или самолёт.
• Облако-земля. Образование молнии начинается, когда электрическое поле достигает критического значения. Свободные заряды, содержащиеся в атмосфере, начинают двигаться в направлении земли со скоростью 50 тыс. км/сек. Возникает электронная лавина, формирующая канал для прохождения лидера молнии. Его движение происходит ступенями длиной в несколько десятков метров. В момент срыва лидера с одной ступени на другую происходит подсветка всех ступеней.

По мере продвижения скорость лидера возрастает, напряжение поля в нем усиливается и под его влиянием из объектов, возвышающихся над поверхностью земли, вырывается ответный разряд, соединяясь с лидером. Именно эта особенность используется при организации систем грозовой защиты.

В финальной стадии по проложенному лидером каналу начинается движение ответного разряда, начинающегося со скоростью около 100 км/сек и постепенно нисходящей до 10 км/сек. В этой стадии ток молнии может длиться до десятых долей секунды и достигать тысяч ампер. Самая затяжная из зарегистрированных молний длилась 7,74 секунды и была зарегистрирована в Альпах. Этот тип молний представляет наибольшую опасность, поскольку направлена она непосредственно к земле, приводит к пожарам и выходу из строя оборудования.

Принципы организации внешней грозовой защиты

Комплекс мер, принимаемых для защиты зданий, сооружений и людей от прямого воздействия молнии, называется внешней молниезащитой. Основная идея ее организации состоит в улавливании и перенаправлении грозового разряда. Для этого необходимо обеспечить наличие трех элементов:

1. Молниеприемник – состоит из металлического стержня, алюминиевого, медного или стального. Он задействуется в момент, когда максимально заряженный лидер грозы приближается к поверхности земли. Молниеприемник перенаправляет его в новый канал, отводя удар от сооружения.
2. Токоотвод – позволяет изменить направление движения разряда и перенаправить его к заземлителю.
3. Заземлитель – обеспечивает прохождение разряда в землю, что приводит к его гашению.

На защищаемой территории устанавливаются молниеотводы. Они могут монтироваться двумя способами:

1. На грунт. Отдельно стоящие устройства позволяют предотвратить растекание заряда по объекту и отвести его сразу в землю. Радиус действия такого молниеотвода в полтора раза превышает его высоту.
2. Непосредственно на здания и сооружения. При устройстве систем защиты этого типа необходимо обеспечить контролируемые пути для отведения разряда. Это позволяет минимизировать вероятность возникновения пожара.

Типы молниеприемников

По типу устройства молниеприемники бывают трех видов: стержневые, тросовые и сетчатые.

Стержневые

Первая модель, которую создал Бенджамин Франклин в 1752 году. Она не претерпела существенных изменений до сих пор. Она состоит из металлического стержня с конусообразным заострением с одной стороны и резьбой с другой. Резьба используется для фиксации на мачте, что позволяет поднять устройство на высоту до 6 метров. При креплении на стену используются кронштейны, которые позволяют зафиксировать молниеприемник на удалении от стены, чтобы исключить воздействие грозового удара непосредственно на конструкцию здания. При организации грозозащиты, на здания и сооружения часто устанавливают двойные молниеотводы. При этом важно, чтобы их зоны действия пересекались. Это актуально на объектах площадью более 200 м² или имеющих вытянутую форму.

Тросовые

Состоят из оцинкованного троса сечением не менее 35 мм, обычно стального, натянутого между двумя мачтами. Используется на протяженных объектах, где сложно обеспечить достаточный уровень защиты стержневыми молниеприемниками. Трос принимает удар лидера молнии, нацеленного на защищаемый объект. Единственный недостаток таких систем – трос выглядит несколько неэстетично и может портить вид здания.

Тросовая грозозащита бывает двух видов:

1. Одиночная – трос натянут между двумя мачтами снабженными собственными молниеприемниками, токоотводами и заземлителями.
2. Двойная – на объекте устанавливаются четыре мачты. Их попарно соединяют тросами, расположенными параллельно на одной высоте. В момент грозового удара они действуют как единое целое.

Сетчатые

Сетка молниезащиты используются на неметаллических кровлях с уклоном не более 1:8, в противном случае их использование неэффективно. Состоит из металлического прутка, зафиксированного в специальных держателях или уложенного прямо под кровельное покрытие. Расстояние между прутками колеблется от 5 до 20 м, в зависимости от требуемой степени молниезащиты. В местах пересечения стержни соединяются с помощью стандартных оцинкованных клемм и болтов. Каждый пруток соединяется через токоотвод с контуром заземления.

Выбор типа молниеприемника должен происходить с учетом технических условий:

• высоты объекта;
• материала кровли и стен;
• назначения здания;
• технического оснащения;
• наличия вблизи высотных объектов;
• особенностей грунта.

Меры обеспечения молниезащиты

Меры обеспечения молниезащиты делятся на три категории:

1. К ней относится вся территория России с частотой гроз ниже средней. Используются мачты и тросовые молниеприемники.
2. Местности с длительностью гроз от 10 часов в год. Для зданий, имеющих неметаллическую кровлю, используются мачты или тросовые молниеприемники, устанавливаемые на объекте или на некотором расстоянии от него. Возможно использование сетчатых, при уклоне крыши не более 1:8. Сетка должна изготавливаться из стального прута диаметром не менее 6 мм. Сооружениям с металлическими фермами не требуется дополнительная молниезащита.
3. Местности со среднегодовой продолжительностью гроз 10 – 40 часов. На выбор этой категории влияет высота строения, его расположение и назначение. Для обеспечения безопасности могут использоваться все устройства защиты: мачты, тросы или сетка.

Организация внутренней грозозащиты

Функция внутренней грозовой защиты заключается в нейтрализации вторичного действия грозового удара. Оно проявляется в форме избыточного потенциала, который может быть опасен для людей и оборудования, находящихся в здании, подвергшемся грозовому удару. В этих ситуациях используются устройства защиты от  импульсных перенапряжений (УЗИП).

УЗИП делятся на три класса:

1. Обеспечивают надежную защиту от грозового удара полной мощности, нейтрализуют его оставаясь при этом не поврежденными. Устанавливаются в зданиях, обеспеченных устройствами внешней грозовой защиты или находящихся в непосредственной близости от сооружений и строений, имеющих с ними общую систему заземления.
2. УЗИП, рассчитанные на нейтрализацию избыточного потенциала, оставшегося после срабатывания УЗИП I класса, а также перенапряжений в сети, вызванных включением/отключением мощного оборудования, короткими замыканиями и т.п. Устройства этого типа могут применяться для обеспечения безопасности оборудования в зданиях не снабженных системой внешней грозовой защиты при отсутствии угрозы прямого грозового удара.
3. Предназначены для защиты электроники, чувствительной к перепадам напряжения. Нейтрализуют остаточный потенциал, с которым не справились УЗИП I и II класса, а также напряжение, возникающее при большой протяженности питающего кабеля.

При организации систем молниезащиты придерживаются одного из двух принципов:

• Безопасности – обеспечивается стабильная работа системы внешней защиты от грозового удара и целостность УЗИП, но допускается отключение потребителей от источника электроэнергии.
• Бесперебойности – допускается временное отключение системы молниезащиты, но недопустимы перебои в подаче электроэнергии.

Категории грозозащиты

При организации защиты от грозового удара используется классификация объектов, которая включает три категории:

1. Высшая категория. Присваивается зданиям, имеющим взрывоопасные зоны, а также социально значимым объектам. При организации систем молниезащиты используются отдельно стоящие тросовые или стержневые молниеотводы.
2. Здания, имеющие взрывоопасные зоны, складские комплексы на которых хранятся легковоспламеняющиеся вещества. Для защиты используется молниеприемная сетка.
3. Частные домостроения, жилые и общественные здания. К организации грозозащиты частных домов не предъявляют никаких требований, общественные и жилые здания, особенно высотные, должны быть снабжены системами внешней внутренней защиты от грозового удара и перенапряжений.