Почему нельзя делать молниезащиту с одним токоотводом?
Согласно СО 153-34.21.122-2003, п. 3.2.2.1, ток при ударе молнии должен растекаться по нескольким путям. Этому требованию соответствует один из двух вариантов. Или качестве токоотвода применяется железобетонная арматура и другие металлические элементы конструкции здания. Или устанавливаются несколько токоотводов.
В качестве причины того, почему ток должен растекаться по нескольким путям, в СО 153-34.21.122-2003 указана необходимость избежать искрения. Что это за искры и в чем причина их возникновения?
Токоотвод, как и любой проводник, обладает индуктивностью. При быстром росте силы тока, что характерно для удара молнии, на проводнике наводится ЭДС.
U = LA,
где L – индуктивность проводника, A – скорость роста силы тока.
В свою очередь,
A = dI/dt, где I – сила тока, а t – время.
Максимальное значение U оценивается в 100 кВ на 1 м длины токоотвода. То есть напряжение относительно земли в отдельных точках токоотвода может достигать нескольких миллионов вольт! Естественно, это может приводить к пробою на близко расположенным к токоотводу металлические элементы конструкции здания. Т.е. к тому самому искрению, необходимость предотвращения которого указана в нормах.
В результате удара молнии в токоотводе возникает ЭДС, достигающая 100 кВ/м.
Предположим, что вместо одного провода ток растекается по n одинаковым проводам с индуктивность L каждый. Тогда в каждом из проводов сила тока будет
In = I/n
An = dIn/dt = A/n
Un = LA/n = U/n
Отсюда вывод - при увеличении количества параллельных молниеотводов в n раз ЭДС на них, обусловленная ударом молнии, уменьшится в n раз. Вот почему увеличение путей растекания тока приводит к снижению вероятности искрения.
Электромагнитные влияния
Необходимость использования нескольких токоотводов обусловлена не только борьбой с искрением, но и необходимостью защиты электрооборудования, установленного в здании. Напряжение, которое наводится на цепи электрооборудования, прямо пропорционально значению скорости нарастания тока молнии A. Использовав n одинаковых токоотводов, мы получим скорость нарастания тока A/n, тем самым понизив в n раз ЭДС, наводимую молнией в цепях электрооборудования, располагающегося в здании. Поскольку в современном здании какое-либо оборудование обязательно есть, следует устанавливать несколько токоотводов в соответствии с действующими нормами, либо использовать железобетонную арматуру в качестве токоотвода.
Изолированный токоотвод
На узлах радиосвязи, спутниковой связи, а также на взрывоопасных производствах применяются изолированные системы молниезащиты. В последнее время такого рода молниезащита встречается также на административных зданиях и загородных особняках. Применительно к изолированному токоотводу СО 153-34.21.122-2003 (п. 3.2.2.2) в ряде случаев допускается наличие только одного токоотвода. Есть ли смысл использовать такую молниезащиту в обычных зданиях?
В изолированных системах обеспечивается воздушный зазор между токоотводом и стеной защищаемого здания порядка 1 м, для чего токоотвод устанавливается на специальных диэлектрических кронштейнах. При этом искрение практически исключено. Однако такой способ монтажа токоотвода портит внешний вид здания. Более современный и при этом дорогой вариант — применение токоотвода с изоляцией, способной выдерживать напряжение до 2 млн. вольт. Из-за возможных проблем с эстетикой и более высокой цены изолированные системы молниезащиты используются пока реже обычных.
Надежность и безопасность
Наличие нескольких токоотводов повышает надежность функционирования системы молниезащиты. Если какая-то часть токоотводов повреждена, все равно будет обеспечиваться электрическое соединение молниеприемника с заземлением. При наличии только одного токоотвода его повреждение способно нарушить работу всей системы защиты от молнии.
Для уменьшения шагового напряжения при ударе молнии по периметру здания устанавливается несколько заземлителей. Естественно, они все объединяются единым контуром. Тем не менее, подключение к каждому из таких заземлителей своего токоотвода обеспечивает передачу электрического заряда по кратчайшему пути.
Выводы
Применение нескольких токоотводов в системах молниезащиты в первую очередь обусловлено борьбой с искрением и стремление повысить надежность системы. Избежать искрения при использовании только одного токоотвода удается в изолированных системах молниезащиты, но они применяются только для специальных нужд. Кроме этого, в любой системе молниезащиты использование нескольких токоотводов позволяет уменьшить электромагнитные влияния на оборудование, установленное в здании.
