Действие громоотвода основано на свойстве более высоких металлически соединенных с землей (заземленных) предметов принимать на себя удары «линейчатой молнии», защищая от нее расположенные поблизости более низкие объекты.
Громоотвод для защиты сооружений состоят
Молниеуловителем обычно называется металлический стержень или система стержней, высота которых выбирается т. о., чтобы удары молнии попадали в них, а не в защищаемое сооружение.
Современный уровень наших знаний не позволяет теоретически рассчитать их высоту, и приходится базироваться на результатах наблюдений ударов действительной молнии в различные предметы, возвышающиеся над окружающими их сооружениями.
Известную ориентировку могут дать также и результаты лабораторных экспериментов на моделях. Но они однако не могут быть непосредственно использованы для определения защитных зон, т. к. законы моделирования электрического разряда до сих пор неизвестны. В настоящее время может считаться установленным, что одиночный стержневой молниеуловитель защищает с достаточно большой степенью надежности лишь те объекты, которые вписываются в конус, описанный из вершины с радиусом R, равным его высоте h. Данные о защитном действии системы из нескольких стержней менее обоснованы.
Обычно полагают, что если расстояние между двумя соседними громоотводами в 4—5 раз превышает разность их высоты h и высоты защищаемых объектов Н, расположенных между ними, надежность защиты практически достаточно высока. Конструктивно они осуществляются чаще всего в виде металлических стержней, устанавливаемых на самом защищаемом сооружении. При защите складов взрывчатых веществ их устанавливают на отдельно стоящих мачтах.
В тех случаях, когда нужна исключительно высокая надежность защиты от поражения молнией взрыво- и огнеопасных сооружений, в качестве дополнительного мероприятия к установке громоотводов на отдельно стоящих мачтах может быть рекомендовано покрытие всего защищаемого сооружения (или в крайнем случае только его крыши) хорошо заземленной проволочной сеткой. Такая сетка помимо того, что служит как бы резервным на случай, если основные стержневые не выполняют своих функций, экранирует защищаемое сооружение. Сетка предотвращает возможность появления внутри здания искрения между отдельными металлическими предметами и землей, обусловленного наведенными на них при близком разряде молний потенциалами.
Иногда для защиты складов взрывчатых веществ применяют т. н. «антенные или «сетчатые», состоящие из несколько заземленных проводов, подвешенных в виде сетки (чаше всего с отверстием порядка несколько м) над защищаемым складом. Эта сетка обычно натягивается на опорах, установленных на высоком земляном валу, которым обносятся склады взрывчатых веществ. Кроме сетки, служащей громоотводом, непосредственно над крышей склада натягивается густая проволочная сетка, также надежно заземленная. Назначение этой второй сетки пояснено выше.
Иногда антенные громоотводы приходится применять и для защиты не взрывоопасных сооружений с большой площадью кровли, если установка высоких отдельно стоящих мачтовых молниеуловителей недопустима. В этих случаях ограничиваются установкой одной лишь верхней сетки, нижняя же густая сетка не устанавливается. Густота сетки делается в таких случаях меньше, чем при защите складов взрывчатых веществ. В свое время была распространена устаревшая ныне система Мельсанса, при которой высокие стержневые или антенные молниеприемники заменены пучками коротких остриев, укрепленных в узловых точках расположенной на крыше металлической сетки. Последняя при этом естественно является молниеприемником, так как острия благодаря недостаточной своей высоте не могут предотвратить попадание молнии непосредственно в сетку.
Когда защите подлежат сооружения с металлической кровлей, от применения специальных громоотводов можно отказаться, использовав в качестве молниеуловителя самое кровлю защищаемого сооружения и обеспечив надлежащее ее заземление. Для защиты обычных гражданских сооружений, не требующих особо высокой надежности защиты даже в том случае, если кровля их сделана не из железа, высота берется обычно меньшей, чем указано выше. Нередко ограничиваются прокладкой по коньку кровли горизонтальной проволоки, надежно заземленной и снабженной несколькими невысокими (порядка 25 см) стержнями.
При установке на кровле, сделанной из легко воспламеняющегося материала (солома, дранки), необходимо обеспечить достаточное расстояние между кровлей и местом контакта канала молнии с ним. Для этого последние должны возвышаться над кровлей не менее чем на 0,5—0,75 м.
В старых конструкциях громоотвода большое внимание уделялось форме верхушки, которая выполнялась либо в виде пучка заостренных коротких стерженьков либо в виде тщательно заостренного одиночного стержня, острие которого во избежание затупления, вызванного коррозией, нередко даже золотилось. Эти конструкции обусловлены были устаревшими ныне воззрениями, приписывавшими защитное действие громоотвода «стенанию» с них электрического заряда.
В свете современных воззрений на природу грозовых разрядов форма наконечника потеряла свое значение. Минимально допустимое сечение определится из условия нагревания его током молнии. Как известно, удар молнии может иметь вид «многократного разряда», когда по одному и тому же каналу с весьма малыми интервалами времени происходит несколько разрядов. Предполагая, что отдача тепла в течение весьма малого времени, порядка долей секунд, не успеет заметно сказаться, сечение провода q, который еще не будет расплавлен и разрядами с током Iа продолжительностью в Т микросекунд, может быть определено по формуле:
где А — для медных стержней равно 320 000, а для железных — ориентировочно 150 000. Хотя максимально наблюденное значение n = 42, а I порядка 200 000 А, однако эти предельные значения n и I относятся не к одному разряду, а потому принимать их одновременно для расчета нельзя. Значения n = 10, I = 200 000 А и Т = 50 μsk можно считать практически предельно суровыми (особенно имея в виду, что последующие разряды, как показали наблюдения, менее интенсивны, чем первый), при этом q = 14 мм2 для меди n = 30 мм2 для железа. Так как однако нагревание молниеуловителя до красного каления недопустимо, с одной стороны, а с другой стороны/всегда необходимо считаться с местными ослаблениями сечения металлического стержня или провода, для молниеприемников применяют металлические стержни или провода с сечением в 2—3 раза большим.
При этом для более ответственных сооружений применяют соответственно большие сечения. Для антенных громоотводов, где ток молнии разветвляется не менее чем по двум направлениям, сечения проводов соответственно уменьшены. Рекомендуемые сечения стержней и проводов для стержневых и антенных приняты в соответствии со следующей таблицей.
Сечения стержней и проводов молниеотводов
|
Типы молниеотводов
|
Диаметр и площади сечении
|
|
|
для сооружений, требующих особо надежной защиты для
|
обычных сооружений
|
|
|
Стержневые молниеприемники:
|
|
|
|
а) железо круглое
|
диамерт 10 мм
|
диаметр 8 мм
|
|
б) трос стальной
|
95 мм2
|
70 мм2
|
|
в) провод медный
|
50 мм2
|
35 мм2
|
|
Антенные молниеприемники:
|
|
|
|
а) трос стальной
|
50 мм2
|
35 мм2
|
|
б) провод медный
|
25 мм2
|
16 мм2
|
Токоотводом называется металлический проводник или система проводников, при помощи которых громоотводы соединяются с заземлителями. Типы токоотводов весьма различны и зависят от конструкций здания. В тех случаях, когда токоотвод выполнен в виде одиночного проводника, его сечение не должно быть меньше сечений, указанных в 1-й графе таблицы.
В тех случаях, когда токоотвод выполнен в виде системы проводников, сечение каждого из них не должно быть меньше сечений, указанных во 2-й графе таблицы. Существенным требованием, предъявляемым к токоотводахм, является требование достаточной механической надежности и достаточно низкого сопротивления в местах контакта. Металлические сточные трубы и связанные металлические части, простирающиеся от кровли до земли, должны быть использованы в качестве дополнительных токоотводов, а массивные металлические части, находящиеся внутри зданий (трубопроводы, металлические лестницы ит. д.), присоединены к токоотводам в тех случаях, когда молниеуловители установлены непосредственно на крыше защищаемого сооружения и соединены с ней электрически.
При защите взрывоопасных сооружений молниеуловителями на отдельно стоящих мачтах последние устанавливаются на некотором расстоянии от защищаемого объекта. Это делается для того, чтобы избежать проскакивания искры между зданием и токоотводом, проложенным вдоль мачты с громоотводом, при ударе в последний молнии. То же относится и к токоотводам от антенных молниеуловителей, изолированных от защищаемого или взрывоопасного сооружения. Минимальное расстояние между любой точкой молниеуловителя или токоотвода и ближайшей точкой защищаемого объекта в этом случае определяется расчетом и обычно выбирается не менее 4—6 м.
В рассматриваемом случае металлические части защищаемого здания уже не используются в качестве дополнительного токоотвода, но во избежание искрения между ними надежно соединяются между собой (и с густой металлической сеткой, в случае если последняя применена) и заземляются. Количество токоотводов в обычных гражданский сооружениях не должно быть менее двух. Максимальное расстояние между двумя соседними токоотводами принимается обычно равным 20 м. В случае, если стены здания сделаны из легкого воспламеняющегося материала, токоотводы монтируют на специальных консолях, отдаляющих их от стен.
Заземлителем (заземляющим электродом) называется соединенный при помощи токоотвода с молниеуловителем проводник (или система проводников), находящийся в непосредственном соприкосновении с почвой и предназначенный для отвода в нее зарядов, несомых молнией.
Достаточно низкое сопротивление растеканию заземлителей является необходимым условием эффективности защитного действия громоотвода и безопасности людей, находящихся вблизи них.
Если сопротивление растеканию заземлителя много больше, чем сопротивление заземления защищаемого объекта, то молния может поразить последний даже в том случае, если высота и расположение молниеуловителей выбраны правильно.
Лучшими и наиболее часто применяемыми естественными заземлителями являются водопроводные трубы, которые должны быть использованы в первую очередь, а также колодцы, фундаменты сооружений и т. д. В качестве искусственных заземлителей применяются металлические трубы, плиты, сетки, рельсы и т. п., закопанные в хорошо проводящие слои земли.
В тех случаях, когда защищаемое сооружение стоит на скале или другом весьма мало проводящем грунте, заземлители обязательно должны быть закопаны в ближайшем слое грунта с хорошей проводимостью или быть погруженными в ближайший водный источник. В этом случае токоотводы, идущие по стене защищаемого сооружения или по мачте с молниеуловителем, соединяются с заземлителями, зарытыми в месте с достаточно низким сопротивлением растеканию при помощи провода или системы проводов, проложенных в земле. Эти провода считаются в этом случае частью заземлителя. Сечение всех элементов заземлителя берется во всяком случае не менее сечения токоотводов. Кроме того для защиты железных заземлителей от коррозии они должны быть оцинкованы. Все места контакта в системе заземлителей должны быть тщательно выполнены и предохранены от коррозии обмазкой смолами.
Сопротивление растеканию, если в качестве заземлителя использован водопровод, не должно превышать 1 Q. Сопротивление растеканию искусственных заземлителей колеблется в широких пределах в зависимости от свойств грунта, уровня грунтовых вод, времени года и должно быть по возможности низким.
В тех случаях, когда по свойствам грунта обеспечить низкое сопротивление растеканию затруднительно, прибегают к т. н. «солению грунта», которое заключается в том, что почва в месте закопки заземлителя перемешивается с угольным порошком и поваренной солью, а после закрытия заземлителя трамбуется и поливается водой.
При проектировании и устройстве громоотвода необходимо учитывать не только характер защищаемого сооружения, но и специфические особенности местности, в которой оно расположено. Сооружения, расположенные на высоких открытых местах и в местах, где по наблюдениям местных жителей или на основании опыта прошлых лет можно ожидать частых ударов молнии, должны защищаться с большей степенью надежности.
Для обеспечения достаточно эффективного действия громоотвода состояние последних должно периодически контролироваться. Контроль заключается в тщательном осмотре надземной части и в особенности мест контакта и в измерении сопротивления растеканию заземлителей. Для обычных сооружений периодический контроль должен производиться раз в 3—5 лет, а для особо ответственных сооружений — перед каждым грозовым сезоном.
Необходимо иметь в виду, что громоотводы, предназначены лишь для защиты от обычных линейчатых молний. Между тем известен ряд случаев, когда даже хорошо защищенные сооружения поражались шаровой молнией. Шаровая молния проникала через открытые окна, двери, незначительные отверстия в стенах и вызывала нередко значительные разрушения внутри зданий. Физическая природа шаровой молнии в настоящее время еще не вполне изучена и достаточно эффективные методы защиты от нее не разработаны. Однако тот факт, что шаровая молния не обладает по-видимому способностью пробивать деревянные стены, оконные стекла и т. п., дает основание предполагать, что густая проволочная сетка, целиком охватывающая защищаемый объект (например склад взрывчатых веществ), может оказаться эффективным средством и против проникновения внутрь такого сооружения шаровой молнии
