Молниезащита зданий и сооружений: устройство и требования

Удар молнии способен за доли секунды поджечь кровлю, расколоть стену и спалить всю электронику в доме. Чтобы этого не случилось, объект оснащают системой, которая принимает разряд на себя и уводит его в землю. Молниезащита зданий сооружений и коммуникаций решает сразу три задачи: бережёт людей, сохраняет конструкции и не даёт выйти из строя оборудованию. Ниже подробно разберём, как устроена молниезащита зданий и сооружений, какие требования к ней предъявляют нормы, из чего собирают систему и как её рассчитывают, монтируют и обслуживают.

Что такое молниезащита зданий и сооружений

Под молниезащитой понимают комплекс технических и организационных мер, которые защищают объект от прямого удара молнии и его последствий. Принцип простой. Разряд перехватывается, его ток по короткому пути уходит в грунт, а вторичные эффекты (перенапряжения, занос потенциала, наводки) гасятся ещё на подходе к технике.

Система молниезащиты состоит из двух частей:

• внешней — она принимает прямой удар и отводит ток в землю;
• внутренней — она защищает проводку и приборы от импульсных перенапряжений.

Объект, оснащённый молниезащитой, переживает прямой удар молнии и вторичные её проявления без пожара и разрушений.

Для чего нужна молниезащита и от каких рисков она защищает

Цифры впечатляют. Сила тока в разряде молнии на Земле составляет в среднем 30 кА, иногда достигает 200 кА, напряжение более десятков миллионов Вольт, а канал разряда раскаляется до десятков тысяч градусов. Против такой энергии любая незащищённая постройка беззащитна. Молниезащита здания снимает сразу несколько угроз:

• пожар и взрыв в точке удара;
• разрушение кровли, стен, дымоходов;
• выгорание электроники от перенапряжения;
• поражение людей и животных шаговым и контактным напряжением.

Сильнее всего рискуют объекты на возвышенностях, открытых полях и у воды, а также постройки с металлическими конструкциями на крыше. В регионах с высокой грозовой активностью закладывают повышенный запас надёжности при расчёте молниезащиты.

Когда зданию или сооружению требуется молниезащита

Решает не только желание владельца, а расчёт. Учитывают назначение объекта, его высоту, материал стен и кровли, грозовую активность района и ожидаемое число ударов молнии в год. Оборудование зданий устройствами молниезащиты обязательно для взрыво- и пожароопасных производств, общественных и высотных построек, а также для большинства промышленных сооружений.

Нормативные документы по молниезащите зданий и сооружений

Проектные организации вправе использовать при определении исходных данных и при разработке защитных мероприятий положение любой из инструкций или их комбинацию.

• РД 34.21.122-87 — инструкция, которая делит объекты на категории I–III;
• СО 153-34.21.122-2003 — более новая инструкция с четырьмя уровнями надёжности защиты;
• ПУЭ, 7-е издание (главы 1.7, 2.4, 4.2);
• ГОСТ Р МЭК 62305-1…4 — серия стандартов по защите от молнии;
• ГОСТ Р 59789-2021 — действующий стандарт по защите зданий и сооружений.

На практике РД 34.21.122-87 и СО 153 используют вместе: по первому удобно определять категорию, по второму — вести расчёт по надёжности.

Требования к молниезащите зданий и сооружений

Жёстких пунктов немного и отступать от них нельзя:

• система перехватывает удар с надёжностью от 0,8 до 0,98;
• сопротивление заземляющего устройства должно быть не более 10 Ом по ГОСТ Р 59789-2021 пункт 5.4.1;
• все металлические части объекта присоединяют к системе уравнивания потенциалов;
• сечения и материалы проводников отвечают требованиям государственных стандартов нормативно-технической документации, действующей в отрасли на данный момент.

Категории и классы молниезащиты зданий и сооружений

По РД 34.21.122-87 объекты разбивают на три категории по классу взрывоопасной зоны согласно ПУЭ-7 п. 7.3.40-7.3.46:

• I категория — взрывоопасные помещения класс зоны В-I и В-II;
• II категория — класс зоны В-Iа, В-Iб, В-IIа и наружные установки В-Iг;
• III категория — пожароопасные, общественные и жилые здания.

СО 153-34.21.122-2003 добавляет четыре уровня надёжности защиты от прямого удара молнии для обычных объектов: для 1-го уровня надёжность защиты от ПУМ 0,98, для 2-го уровня - 0,95, для 3-его уровня - 0,90 и для 4-го уровня 0,80. Для специальных объектов минимально допустимый уровень надежности защиты от ПУМ устанавливается в пределах 0,9 - 0,999 в зависимости от степени его общественной значимости и тяжести ожидаемых последствий от прямого удара молнии по согласованию с органами государственного контроля.

Из чего состоит система молниезащиты

Полное устройство молниезащиты зданий сооружений и оборудования собирают из двух частей: внешней и внутренней. Внешняя молниезащита бывает изолированной, когда молниеотвод отнесён от объекта воздушным зазором, и неизолированными, закреплёнными прямо на конструкции. Выбор диктуют категория и наличие взрывоопасных зон.

Разберём обе части.

Внешняя молниезащита здания

В общем случае внешняя молниезащита состоит из:

• молниеприёмника, непосредственно принимающего удар молнии;
• токоотвода, по которому ток молнии стекает в землю;
• заземлителя, обеспечивающего растекание тока молнии в земле.

Внутренняя молниезащита здания

Здесь работают УЗИП (устройства защиты от импульсных перенапряжений), система уравнивания потенциалов и экранирование. УЗИП ставят каскадом: тип 1 на вводе принимает основную долю тока, тип 2 в щите срезает остаток, тип 3 у розеток прикрывает чувствительную электронику. Уравнивание потенциалов связывает в одну сеть трубы, корпуса приборов и арматуру, чтобы при разряде нигде не проскочила искра.

Молниезащита и заземление: в чём связь и отличия

Заземление — фундамент всей конструкции: именно через него ток молнии растекается в земле. По ПУЭ заземление молниезащиты и рабочее заземление электроустановки сводят в один контур. Без надёжного заземлителя молниеприёмники и УЗИП бесполезны.

Основные способы устройства молниезащиты зданий и сооружений

Вариантов несколько, и выбор зависит от объекта:

• стержневые молниеотводы — мачты с молниеприёмником установленные на сооружении;
• тросовые — трос, закреплённый на двух (или более) опорах образующих общую зону защиты;
• молниеприёмная сетка - многократные горизонтальные молниеприемники укладываемые прямо на плоскую кровлю или кровлю с углом ската не более 25 градусов;
• отдельно стоящие молниеотводы — мачты с молниеприёмником установленные на земле на некотором удалении от защищаемого объекта.
• естественные элементы — металлическая кровля, фермы, колонны.

Молниеприёмники, токоотводы и заземлитель

• Молниеприёмник принимает удар молнии. Это стержень, трос или сетка.
• Токоотвод безопасно отводит ток молнии к земле, токоотвод прокладывают по углам и по периметру здания.
• Заземлитель имеет непосредственный электрический контакт с грунтом для стекания большой части тока молнии в землю.

Молниеприёмники и токоотводы делают из стали, меди или алюминия. Минимальные сечения прописаны в СО 153-34.21.122-2003 табл. 3.1: стальной круглый пруток — от 50 мм², медный — от 35 мм², алюминиевый — от 70 мм². Указанные значения могут быть увеличены в зависимости от повышенной коррозии или механических воздействий. Сталь цинкуют или красят, а соединения варят либо стягивают обжимными или болтовыми зажимами с надёжным контактом.

Материал и наименьшие размеры заземлителей должны соответствовать ПУЭ-7 табл.1.7.4. и ГОСТ Р МЭК 62561.2—2014 таблица 3. Искусственные заземлители могут быть из черной стали, оцинкованной стали, омедненной стали, нержавеющей стали или медными и не должны иметь окраски. В качестве заземлителей молниезащиты допускается использовать все рекомендуемые ПУЭ заземлители электроустановок, за исключением нулевых проводов воздушных линий электропередачи напряжением до 1 кВ.

Молниезащита кровли, фасада и выступающих элементов здания

На кровле раскладывают молниеприёмную сетку с ячейкой от 5×5 до 20×20 м — шаг зависит от уровня защиты. Всё, что торчит над крышей (трубы, антенны, парапеты), подключают к сетке. Защита фасада — это токоотводы по стенам с нормированным шагом плюс защита входящих коммуникаций. Кстати, именно на фасаде чаще всего экономят, и зря.

Проектирование молниезащиты зданий и сооружений

Проектирование молниезащиты зданий и сооружений стартует со сбора данных и заканчивается рабочей документацией. Хороший проект балансирует три вещи — надёжность защиты, архитектуру и бюджет — и сразу увязывает систему с заземлением электроустановки.

Какие данные нужны для расчёта молниезащиты

Без этих исходников расчёт не запустить:

• назначение и категория объекта;
• габариты — высота и площадь;
• материал стен и кровли;
• грозовая активность района;
• свойства грунта под заземлитель.

Расчёт и определение зоны молниезащиты

Суть расчёта — построить зону защиты, то есть пространство, куда молния почти наверняка не прорвётся. По РД 34.21.122-87 различают зону А с надёжностью 99,5% и зону Б с 95%. Расчет по СО 153-34.21.122-2003 ведут методом катящейся сферы, защитного угла или молниеприемной сетки. Радиус сферы привязан к уровню защиты: 20 м для I, 30 м для II, 45 м для III и 60 м для IV. Объект считается защищенным, если фиктивная сфера, касаясь поверхности молниеотвода и плоскости, на которой тот установлен, не имеет общих точек с защищаемым объектом. Правильно построенная зона молниезащиты здания полностью охватывает и сам объект, и все его выступающие элементы.

Особенности молниезащиты разных типов объектов

Особенности молниезащиты жилых зданий

Частному дому и многоэтажке обычно хватает III категории: сетка или штырь на крыше плюс контур заземления. Главное — не забыть про защиту от перенапряжений на вводе.

Особенности молниезащиты общественных зданий

Школы, больницы, торговые центры держат повышенную планку: людей много, и внутренняя защита электронных систем тут обязательна.

Особенности молниезащиты промышленных зданий и сооружений

На производстве категорию диктует взрыво- и пожароопасность. Часто нужна I или II категория с дублированием токоотводов и строгим контролем заземления.

Особенности молниезащиты металлических зданий

Стальной каркас и кровлю можно использовать как естественные приёмник и токоотвод — при условии, что металл достаточной толщины, а соединения надёжны.

Особенности молниезащиты зданий из сэндвич-панелей

Тонкий металл панели молниеприёмником не считается. Поэтому устанавливают молниеприёмную сетку или молниеотводы и ведут токоотводы.

Особенности молниезащиты зданий с мягкой кровлей

По битуму сетку кладут на держателях с бетонными утяжелителями — так при монтаже не пробивают гидроизоляцию.

Особенности молниезащиты высотных зданий

У высоток мало защитить крышу. Выше 60 м возможны боковые удары, поэтому берегут и верхние этажи, и фасад, а токоотводы дублируют по периметру через каждые 20 м.

Монтаж и установка системы молниезащиты

Эффективность любой системы молниезащиты зависит от качества монтажа, обслуживания и методов испытаний.

Монтаж системы молниезащиты производят в момент стройки, либо реконструкции, но возможно уже и на существующем сооружении. Установка молниезащиты зданий и сооружений проходит в четыре этапа:

1. Заложить заземлитель в грунт;
2. Смонтировать молниеприёмник;
3. Протянуть токоотводы по стенам;
4. Соединить всё в единую цепь и проверить контакты.

Скрытые узлы, прежде всего заземлитель, принимают до отделки. Токоотводы ведут по кратчайшей линии, без резких изгибов и петель: лишняя индуктивность поднимает напряжение на проводнике. Между опусками держат около 20 м для III уровня и около 10 м для I, а вводы в грунт защищают от коррозии и ударов.

Проверка молниезащиты зданий и сооружений

Проверка показывает, отвечает ли система молниезащиты проекту и нормам. Проверка молниезащиты проводится через определённые, установленные нормативами, промежутки времени. Когда проводится проверка: при сдаче объекта, каждый год перед грозовым сезоном и внепланово — после ремонта или прямого удара. Проверке подлежат целостность и защищенность от коррозии доступных обзору частей молниеприемников и токоотводов и контактов между ними, а также значение сопротивления заземлителей.

Периодичность осмотра и эксплуатации молниезащиты

Периодичность проверки привязана к категории: Регулярный визуальный осмотр согласно РД 34.21.122-87 п. 1.14.

• для зданий и сооружений I и II категории — не реже раза в год перед грозовым сезоном;
• для зданий и сооружений III категории — не реже раза в три года;
• видимые части заземлителя осматривают раз в полгода, со вскрытием грунта — раз в 12 лет.

Нормальная эксплуатация — это ещё и бумаги: на объект заводят паспорт и журнал состояния устройств молниезащиты.

Типовые ошибки при устройстве молниезащиты

Большинство промахов всплывает после первой же серьёзной грозы. Вот что встречается чаще всего:

• токоотводов поставили меньше, чем нужно;
• контакты слабые, пошла коррозия;
• сопротивление заземления выше нормы;
• внутреннюю защиту от перенапряжений вовсе забыли;
• на сэндвич-панели бросили сетку из тонкого металла.

Пример схемы молниезащиты здания

Простой пример для жилого дома III категории: молниеприёмная сетка на крыше, два токоотвода по противоположным углам фасада и замкнутый контур заземления вокруг здания. Такой проект даёт зону Б и сопротивление заземлителя в пределах 20 Ом.

Частые вопросы по молниезащите зданий и сооружений

Нужна ли молниезащита частному дому?

Желательна, особенно если дом высокий и стоит на открытом месте. Окончательно решает расчёт риска.

Можно ли смонтировать систему на готовом доме?

Да. Внешнюю часть ставят и после стройки, а заземлитель прокладывают отдельным контуром.

Кто отвечает за молниезащиту объекта?

Собственник. На нём проект, монтаж и регулярная проверка.

Чем внешняя защита отличается от внутренней?

Внешняя ловит и отводит прямой удар, внутренняя гасит наведённые импульсы в проводке. Полная безопасность требует обеих.