Что такое грозозащита?

Жилых зданий, промышленных предприятий и так называемых объектов критически важной инфраструктуры, выход которых из строя, может нанести ощутимый вред, как для крупных населённых пунктов, так и отдельных регионов.

По данным Всемирной метеорологической организации, на Земле каждый день случается примерно 50 тысяч гроз. Но гроза – это не просто гром с дождём. Наиболее опасное явление, которое она с собой несёт – это молния.

Из истории известен случай, произошедший с российскими учёными М. Ломоносовым и Г. Рихманом во время опытов по улавливанию атмосферного электричества в 1753 году в Санкт-Петербурге. Эти известные естествоиспытатели 18–го века разработали для своих жилых помещений «грозоулавливатели» и опробовали их во время сильной грозы над городом, но проведению эксперимента помешала внезапно появившаяся шаровая молния и эксперимент не удался.

Исследователи также пытаются найти способ использования молний в энергетике. Вопросами использования (аккумулирования) энергии грозовых разрядов в первой половине 20-го века в США занимался великий изобретатель и учёный Никола Тесла. Однако американские власти результаты исследований и экспериментов засекретили, а оригинальные экспериментальные установки уничтожили. Данная статья расскажет вам простыми словами о важных прикладных аспектах, связанных с этим природным явлением, а именно о защите объектов, инфраструктуры и человека от разрушительного воздействия грозы и молний.

Основные понятия и определения

Гроза – это природное явление, проявляющееся в виде разрядов атмосферного электричества, которые мы и привыкли идентифицировать как молнию. Также гроза сопровождается сильным акустическим эффектом (громом), иногда сильным порывистым ветром (шквалом), дождевыми проявлениями в виде ливня или града. Когда между различными частями облака, а также между облаком и землей, достигается разность электрических потенциалов в несколько миллионов вольт, то возникает природное явление в виде электрического разряда, именуемое в науке – молния. Молнии могут быть длиной от 2-х и до 50 км, а их сила тока бывает и до 100-200 тыс. ампер. Температура в канале поднимается от 10 и даже до 50 тыс. градусов по Цельсию. Когда гроза вызвана разрядом молнии, направленным прямо на объект, она несет в себе угрозы, которые считаются первичными. А если гроза проявляется как наведение напряжения от разрядов молнии, то угрозы такого плана считаются вторичными.

По направлению разряда молнии подразделяются на:

• нисходящие. Мы наблюдаем направленный сверху вниз разряд, который наносит свой удар по зданию или другому объекту;
• восходящие. Здесь мы можем наблюдать такой разряд молнии, который идет от земли к облаку. Большинство ударов по высотным объектам (свыше 200 м) являются восходящими. И нисходящие, и восходящие молнии могут быть как отрицательными, так и положительными, т.е. по каналу молнии может протекать ток отрицательной или положительной полярности;
• внутри и межоблачные. Это молнии между противоположными зарядами внутри одного облака или соседними облаками. Не представляют опасности для любых объектов, расположенных на земле.

Грозозащита (молниезащита / громозащита) – это совокупность мер по обеспечению защищенности сооружений, техники, человеческого общества, животного мира и общественной инфраструктуры от разрушительного действия молний. Выбор конструкции грозозащитных систем является важной составной частью строительного проекта в плане обеспечения безопасной среды обитания человека, сохранности зданий, сооружений и объектов жизнеобеспечения и промышленных коммуникаций от воздействия атмосферного электричества. Следует отметить, что в РФ существуют нормативы по категорированию уровней защищенности объектов и эффективности грозозащитных мер. Это отражено в “Инструкции по устройству молниезащиты зданий и сооружений. РД 34.21.122-87”, «Инструкции по устройству молниезащиты зданий, сооружений и промышленных коммуникаций СО 153 – 34.21.122 – 2003», а также в других нормативных документах.

О принципах работы грозозащиты

В самых общих чертах это устройство представляет собой сочетание таких элементов, как молниеприемник, токоотвод и заземлитель. Три элемента в целом образуют молниеотвод, который перехватывает саму молнию и отводит ее ток в землю. Таким образом происходит защита объекта от последствий действия этой стихии. Комплексные мероприятия, проводимые с целью защиты человека, объекта, дома и других сооружений от прямых ударов молнии с помощью специальных приспособлений именуются внешней молниезащитой (или "external lightning protection system" – англ.).

Кроме вышеперечисленных и распространенных устройств, в последнее время стала известна и альтернативная система защиты от молний, называемая активной молниезащитой (early streamer emission). Такие системы стоят гораздо дороже обычных, а их «повышенная эффективность» пока не доказана техническими специалистами на практике.

Специалистами устанавливаются отдельно расположенные молниеотводы, но также установить молниеотвод возможно прямо на самом объекте.

Какую функцию выполняет молниеотвод, который установлен отдельно? С помощью такого устройства можно предотвратить эффект, когда ток растекается по самому объекту, и отвести ток сразу в землю.

Простая формула показывает радиус защитного действия такого молниеотвода на уровне земли: R = 1,5 * h, (формула приведена для зоны Б РД 34) где h – высота молниеприемника от уровня земли. Теперь рассмотрим случай установки молниеотвода специалистом непосредственно на самом сооружении.

При применении такого конструктивного решения, происходит процесс растекания тока по четко контролируемым путям для отведения тока. Вероятность возгорания и взрывоопасности снижается до ничтожно малых величин, потому что исключено воздействие на объект термическим способом.

В зависимости от видов молниеприемника наиболее распространены стержневые, тросовые и сетчатые молниеотводы. Идея и конструкция стержневого молниеотвода была впервые предложена и запатентована в 1752 г. в США выдающимся общественно-политическим деятелем и талантливейшим учёным Америки – Бенджамином Франклином. С той поры данный тип молниеотвода принято называть «стержнем Франклина».

Тросовый молниеприёмник, как видно из названия, представляет из себя натянутый между двумя "мачтами" металлический трос, который перехватывает молнию, нацеленную на объект под таким тросом. Для защиты одного строения может использоваться несколько тросовых молниеприёмников.

Другой тип молниеприёмника получил название молниеприёмной сетки. В практике молниезащиты специалисты укладывают сетчатые молниеприемники непосредственно на неметаллическую крышу здания, причем крыша должна быть горизонтальной. Любой уклон крыши может означать риск поражения молнией.

Популярность того или иного вида молниеприёмника различается в разных регионах и на разном типе объектов, поэтому назвать одного "лидером" по популярности невозможно. Если рядом с Вашим объектом близко расположено очень высокое здание, то при проектировании системы грозозащиты необходимо учитывать расстояние между объектами, а также ряд экономических показателей и других особенностей защищаемых сооружений. Токоотвод монтируется в стену строения, он протягивается до земли с достаточно короткой дистанцией, чтобы заряд очень быстро ушёл в землю.

Внутренняя молниезащита представляет собой комплекс превентивных мероприятий по обеспечению безопасности от вторичных действий молнии. Этот эффект проявляется обычно в виде индукции импульсного перенапряжения и занесённого высокого потенциала. Здесь применимы так называемые УЗИП. Эта аббревиатура расшифровывается как устройства защиты от импульсных перенапряжений. В английском языке существует терминология: «lightning surge protection» и «surge protection device». Импульсные перенапряжения могут быть вызваны как прямым ударом молнии, так и непрямым ее ударом. Если молния ударяет вблизи строения или объекта, то речь идёт о вторичном воздействии молнии — импульсном перенапряжении.

Специалисты подразделяют УЗИП на 3 класса. Устройства первого класса устанавливают на всех объектах защищенных внешней системой и на объектах, расположенных рядом с высокими сооружениями, такими как мачты и с любыми другими строениями, с которыми имеют общее заземляющее устройство. Он рассчитан на такую надежность, которая позволяет выдержать полный ток молнии, ограничить его до нужного значения и при этом остаться неразрушенным.

УЗИП второго класса должен ограничивать пренапряжения, пропущенные через УЗИП 1 класса, а также индуцированные и коммутационные перенапряжения. Устанавливается после УЗИП 1 класса и предназначен до ограничения перенапряжений до уровня, который может выдержать большинство устройств. 2 класс может использоваться и в качестве первой ступени защиты, когда объект не оборудован внешней системой молниезащиты , и нет риска прямого удара молнии в объект и входящие в него сети и коммуникации (например, когда питание осуществляется кабелем). УЗИП третьего класса устанавливается после УЗИП 2 класса и предназначен для защиты чувствительных электронных приборов, а также при большой длине питающего кабеля, которая приводит к наведению повышенного напряжения. При монтаже систем молниезащиты специалистами применяется или принцип безопасности или бесперебойности. Если взята за основу безопасность, то недопустимо разрушение устройств защиты от импульсных перенапряжений и невозможно отключение молниезащиты. Но в таком случае разрешено отключение потребителей от снабжения электроэнергией. Защитный предохранитель для УЗИП при этом устанавливается в разрыв фазного провода (последовательное включение в фазу).

Применение грозозащиты и заземления

Обратимся к вышеупомянутым в этой статье нормативным документам. Если мы планируем защитить от воздействия грозы дом высотой до 60 м, то нужно иметь в виду, что существует 3 категории такой защиты. Третья категория защиты – это все обычные жилые помещения стандартной планировки, а также общественные здания. Но если в здании много этажей и оно очень высокое, то роль грозозащиты возрастает, так как тут возможны повреждения всякого рода слаботочных электроустановок. Особенно это характерно при использовании современных систем управления для «умных домов». Поэтому специалисты оборудуют такие дома специального рода ограничителями перенапряжений. Устанавливают эти системы в специальных местах, обозначенных на этапе планирования всей системы молниезащиты. А вот для жилых домов сельской местности в Российской Федерации нет обязательных требований для систем грозозащиты. По классификатору такие здания отнесены по молниезащите к 3-ей категории.

Специальные объекты (иногда их называют критически важными) – это те сооружения и инфраструктура, повреждение или разрушение которых влечёт за собой тяжёлые материальные последствия, а также угрожает здоровью и даже жизни человека. Они подлежат оборудованию системами грозозащиты, категория которых устанавливается в специальных требованиях на этапе составления проектной документации. К таковым относят объекты энергетики, телекоммуникаций и каналов связи, различные трубопроводы, железные дороги, автомобильные трассы, аэропорты, речные и морские причалы, газовые и нефтепромыслы, инфраструктуру информационно–коммуникационных технологий, военные части и объекты оборонного назначения. В связи с проникновением информационных технологий и Интернета в промышленную и другие сферы, оборудование, используемое в этих отраслях должно иметь устройства защитного заземления.

В заключение данной темы можно сделать следующие выводы: грозозащита, как компонент безопасности, является неотъемлемой частью современной промышленной и общественной инфраструктуры, позволяя тем самым экономить средства и защитить людей, сооружения и здания от разрушительного воздействия стихии атмосферного электричества.