Активная и пассивная грозозащита

Разряд атмосферного электричества – одно из самых опасных доказательств того, что окружающий мир к нам не так уж и дружелюбен. Он способен вызвать возгорание любого объекта и даже оказаться причиной смерти живого организма, оказавшегося в поле его действия.

Проектирование молниезащиты уже давно стало обязательным правилом при возведении промышленных объектов, а в последнее время оно всё чаще применяется и в отношении зданий гражданского назначения. Особенно тех, в которых размещаются различные муниципальные заведения. Владельцам частных домов также стоит озаботиться решением этого вопроса, поскольку причинённый атмосферным электричеством ущерб может оказаться столь большим, что его не покроет даже самый богатый страховой полис.

Разряд атмосферного электричества и сопутствующие ему факторы

Статическое электричество накапливается в атмосфере из-за движения воздушных масс, которые обладают физической вязкостью. Газовая атмосфера в обычных условиях является условным диэлектриком с низкой степенью электрической проницаемости.

Если она увеличивается вследствие, например, насыщения атмосферы парами воды, то между локальной точкой с накопленным электрическим зарядом и поверхностью Земли или предметом на ней происходит электрический пробой.

Электрический разряд проходит по пути наименьшего сопротивления, это общее правило для всей электротехники. Поэтому большая часть так называемых молний вообще не касается земли, они возникают между грозовыми облаками, имеющими разный электрический потенциал.

Удар атмосферного электричества по поверхности земли происходит лишь там, где диэлектрическая проницаемость среды по каким-то причинам уменьшена. Вполне понятно, когда молния бьёт в отдельно стоящее дерево, возвышающееся над поверхностью – расстояние между его вершиной и точкой с накопленным зарядом меньше.

Однако бывает и так, что разряд выбирает в лесном массиве дерево, ничем особенно не отличающееся от остальных. Просто потому, например, что его корневая система более разветвлённая, а грунт под ним более влажный, что облегчает прохождение электрического разряда.

Эту тонкость обязательно надо учитывать при создании системы молниезащиты. Поставленный вами громоотвод может не работать из-за того, что его контакт с физической землёй имеет слишком большое электрическое сопротивление. На практике оно не должно быть более 10 Ом.

Физической сущностью атмосферного электричества является его статичность. Заряд имеет свойство накапливаться, и его величина может достичь миллиарда вольт. Если не найдётся пути для его разряда, он постепенно рассеется, не причинив вреда. А при его наличии процесс обнуления происходит за сотню микросекунд.

Именно в этом импульсе и таится опасность, поскольку движущиеся электроны обладают огромной кинетической энергией. Её переход в потенциальную сопровождается тремя сопутствующими факторами:

• Выделением тепла (свечение – молния – его побочное явление).
• Звуком (гром) из-за резкого соударения атомов воздушной среды.
• Электромагнитным импульсом.

Устройство защиты от атмосферного электричества

Традиционно устройство молниезащиты представляется в создании так называемого громоотвода – его название парадоксально, поскольку звуковая волна им не отводится. Он состоит из трёх частей:

• Молниеприемника.
• Заземлителя.
• Заземляющего контура.

Молниеприемник обычно выполняется в виде вертикального сооружения высотой не менее 10 метров – делать его ниже окружающих деревьев смысла не имеет, на вершине которого устанавливается металлическая деталь. Лучше всего, если она будет иметь коническую форму, которая способствует накоплению заряда на поверхности.

Сейчас все чаще монтаж молниезащиты осуществляют в виде горизонтального молниеулавливателя из алюминиевого многожильного провода без оболочки, протягиваемого вдоль конька крыши на высоте 50-60 см от него.

Заземлитель – проводник, соединяющий молниеприемник с заземляющим контуром. Его удельное сопротивление должно быть минимальным. Лучше всего в его качестве использовать медный многожильный провод сечением 16 мм2.

Заземляющий контур – самая важная деталь сооружения. Просто воткнуть штырь в землю совершенно недостаточно. Важно достичь влажных слоёв грунта с небольшим электрическим сопротивлением. Но и этого мало. Надо как минимум три таких штыря, соединённых между собой металлическими полосами.

Тогда суммарная электрическая емкость объекта будет достаточной для накопления такого отрицательного потенциала, который спровоцирует разряд атмосферного электричества через молниеприемник. Задачу облегчит закапывание на небольшую глубину старой чугунной ванны или радиатора отопления.

Недостатки громоотводов

А теперь о парадоксальном. Строительство такого сооружения скорее увеличит вероятность поражения вашего дома атмосферным электричеством, чем защитит от него. Особенно в том случае, если вы установите молниеприемник непосредственно на коньке кровли.

Если вы хоть раз бывали на автозаправке, то вспомните, что на металлических штырях молниеотводов написано: во время грозы не подходить ближе 10 метров. И это логично, ведь заряду напряжением в миллиард вольт и силой тока до сотни тысяч ампер надо где-то рассеяться. Учитывая размеры дома, он весь оказывается в опасной зоне.

Устройство громоотводов оправдано лишь там, где из-за особенностей технологического процесса может существовать локальная зона с иным, по отношению к окружающей местности, электрическим потенциалом. Ею, например, является заглублённая ёмкость для хранения топлива или трансформаторная силовая подстанция. И от этих сооружений заряд атмосферного электричества надо увести.

Активная молниезащита

Гораздо большую опасность для частных домовладений представляет электромагнитный импульс, возникающий во время грозового разряда. Он вызывает скачок тока в линиях электропередач, поскольку процесс по своей природе аналогичен тому, что протекает в трансформаторе. И происходит это даже в том случае, если удар молнии приходится не на опору ЛЭП.

Активная молниезащита, которая не отводит электрический разряд в сторону, а гасит его, строится на так называемых УЗИП – устройствах защиты от импульсных перегрузок. Их отличие от автоматических выключателей двоякое:

• Они не выключают линию, а перенаправляют ток через себя.
• В них отсутствуют механические детали, поэтому скорость быстродействия намного выше.

Автоматический выключатель с механическим расцепителем срабатывает за 5-10 мсекунды. Поэтому он не успеет защитить цепь от импульсного скачка тока, который длится 100 мксекунды – среднее время жизни шнурового разряда в атмосфере.

УЗИП делятся на классы:

• I, самый мощный, который устанавливается сразу после автоматических выключателей на вводах. Он строится на газоразрядных приборах. При лавинообразном нарастании тока среда в них пробивается и её сопротивление резко падает. Излишняя мощность гасится на горение дуги в лампе.
• II и III выполняются на так называемых варисторах – полупроводниковых приборах, сопротивление которых меняется от сотен кОм до десятка Ом при превышении пороговых значений тока. Они используются для защиты групп или одиночных потребителей.

УЗИП подключаются между фазной линией и технологической нейтралью N и играют роль шунта – ответвления, параллельного остальной схеме. Они бывают одно и трёхфазными и рассчитаны на работу в электролиниях с разными типами заземления.

Например, при включении в традиционную двухпроводную линию TN-C используются клеммы L и N, а если проводка с защитным проводником РЕ, то он подключается к клемме с мнемосимволом «заземление». Также надо поступить и со схемой ТТ, имеющей автономный заземлительный контур.

Вероятность прямого удара молнии в жилище довольно мала, а вот электромагнитный импульс во время разряда атмосферного электричества возникает всегда. Поэтому более эффективным и оправданным представляется использование систем приборов активной молниезащиты.