Оговоримся сразу, что речь в пойдет о системах внешней молниезащиты и заземления, поскольку они отвечают за последствия прямого попадания молнии и испытывают на себе нагрузки токов молнии, достигающих пиковых значений.
Компоненты и материалы: особенности использования
Основными материалами для изготовления компонентов систем грозозащиты, будь то молниеприемники, проводники (токоотводы), стержни заземления (заземлители) и крепеж (держатели, соединители, клеммы и т.п.) являются преимущественно:
- сталь горячего цинкования
- нержавеющая сталь
- медь
- алюминий
Оцинкованная сталь
Чаще всего встречается при устройстве молниезащиты. Оптимальное соотношение цена/качество: хорошие характеристики механической прочности, антикоррозионной стойкости, высокое максимальное сопротивление и самая низкая стоимость.
Используют разные методы оцинкования:
- горячее погружение (применяется в 90% случаев, обозначается у производителей как St/FT, St/tZn)
- огневое (St/F)
- гальваническое (St/gal Zn или St/G)
- конвейерное (St/FS)
На выбор метода влияет фактор производства той или иной детали, соответственно влияющий на ее стоимость, а также место применения в схеме молниезащиты.
Алюминий или алюминиевый сплав (Al, AlMgSi)
Самый легкий из материалов, обеспечивает хорошие показатели проводимости тока молнии, достаточно долговечный (не гниет, не ржавеет), второй по стоимости после оцинкованной стали. В силу этих своих качеств его любят использовать в качестве молниеприемников и токоотводов.
Чуть хуже оцинковки в плане совместимости с другими металлами, его также не рекомендуют использовать в системах заземления, в особенности в земле.
Нержавейка (V2A, V4A, NIRO)
К основным преимуществам относится то, что нержавейка совместима со всеми типами материалов и абсолютно не подвержена коррозии. Она может использоваться как альтернатива алюминию там, где требуется повышенная жесткость и прочность (различные держатели, клеммы, зажимы, элементы крепления в системах заземления).
К недостаткам относится в первую очередь цена; кроме того, в сравнении с алюминием, она существенно тяжелее и обеспечивает немного худшее растекание тока молнии.
Нержавеющая сталь с маркировкой V4A относительно V2A содержит больше никеля плюс 2% молибдена, что обеспечивает меньшее сопротивление.
Медь (Cu)
Самый дорогой металл, но в то же время имеет высокую теплоемкость и низкое удельное электрическое сопротивление. Очень пластичен, что облегчает монтажные работы, особенно когда приходится работать с проводником (пруток от 8-10 мм диаметром из стали очень трудно гнуть или выпрямлять).
Часто выбирают по эстетическим соображениям, если покрытие кровли и фасадов зданий и сооружений выполнено также из меди или в цвет нее. Там где медные элементы можно спрятать в конструктиве здания, чтобы не было заметно разницы в цвете, их иногда заменяют на более дешевые латунные (см. ниже).
Для удешевления стоимости в ряде случаев используют омеднение поверхности (например, стальные омедненные (St/Cu) стержни заземления у отечественных производителей). Иногда еще и для облегчения веса полностью медные токоотводы или молниеприемники заменяют композиционным материалом (например, алюминиевый проводник с омеднением (Al/Cu) у компании DEHN+SOHNE).
Проблемы коррозии
Исходя из рассмотренных случаев использования материалов получаем несколько комбинаций их соединений, которые по разному влияют на образование коррозии. Так комплектующие из меди ни в коем случае нельзя монтировать поверх алюминия или оцинковки, поскольку медь очень активный металл и ее частицы под воздействием погодных условий взаимодействуют с соседней поверхностью, вызывая коррозию. Гальванические покрытия деталей также усугубляют коррозию соприкасающихся поверхностей.
Ниже в таблице показаны допустимые комбинации металлов для молниеприемных систем и токоотводов и для присоединения к элементам конструкций с учетом контактной коррозии.
| Материал | Оцинкованная сталь (FT) | Алюминий (Al) | Медь (Cu) | Нержавеющая сталь (VA) |
| Оцинкованная сталь (FT) | + | + — | — | + — |
| Алюминий (Al) | + — | + | — | + — |
| Медь (Cu) | — | — | + | + — |
| Нержавеющая сталь (VA) | + — | + — | + — | + |
+ хорошая совместимость + — нейтральная — плохая
Если же возникает необходимость смонтировать между собой комплектующие из металлов, которые соединять не разрешается, то применяют специальные биметаллические соединители.
Что еще используют в системах молниезащиты
Рассмотрим особенности применения некоторых также встречающихся материалов и типов обработок поверхности.
Черная сталь (St)
Поскольку сталь без обработки является металлом, в большой степени подверженным коррозии, то в отдельном виде она в схемах молниезащиты не используется, но может быть пригодна для вспомогательных комплектующих, таких, например, как ударные наконечники для стержней заземления или насадки для вибромолота для их забивания.
Цинковый сплав (Zn)
Литье из цинкового сплава под давлением применяется в отдельных компонентах держателей, как правило для производства оснований стальных деталей, где в силу технологии такой способ изготовления экономически более целесообразен.
Латунь (CuZn или Ms)
Применяется в контактных пластинах на шинах уравнивания потенциалов. Латунь используют также для соединения медных или омедненных элементов между собой, поскольку она совместима с ними, но в то же время удешевляет изготовление аналогичной медной детали. Например, муфты для установки в ряд омедненных стержней заземления или соединители для медных проводников. Кроме того, латунные элементы в отличие от меди медленнее окисляются и имеют большую твердость.
Ковкий чугун (TG)
Только в сочетании с огневым цинкованием поверхности (TG/F) или горячеоцинкованный (TG/tZn). Из за своей ударопрочности из него делают наконечники для заземлителей.
Очень редко встречаются еще такие сочетания основного материла и обработки поверхности:
- латунь гальванически омедненная (Ms/gal Cu)
- латунь гальванически луженая (Ms/gal Sn)
- латунь никелированная (CuZn/N)
- медь гальванически луженая (Cu/gal Sn)
Как правило использование таких вариантов обусловлено опять же удешевлением или облегчением детали с сохранением свойств основного материала или желанием изменения цвета ее поверхности.
Бетон
Устанавливается самостоятельно либо в качестве блочной вставки в пластиковый корпус как утяжелитель для крышных держателей проводника или молниеприемника.
Бетонные основания (или опоры) имеют технологические отверстия для монтажа и установки переходников (клиновых или резьбовых) для крепления молниеприемников. Они рассчитываются по весу на разные длины молниеприемных стержней или отдельно стоящих молниеприемников на треногах, с которыми применяются в основном для защиты небольших выступающих конструкций на плоских кровлях.
Могут использоваться для монтажа дистанционных держателей под изолированные проводники.
Марка бетона должна удовлетворять требованиям стандартов по морозостойкости и EN 1338 (для мостовых камней).
Пластики (GFK, PA, PE, PP, PS)
Широко применяются в системах изолированной молниезащиты и как элементы кровельных и фасадных держателей.
GFK – основной тип пластика для систем изолированной молниезащиты, обладает высокой термо-, коррозионно- и стойкостью к ультрафиолету. Из GFK-изолятора изготавливают траверсы (или дистанционные держатели) для выдерживания безопасного расстояния и предотвращения пробоя при прохождении тока молнии (бывают обычные и телескопические на разные расстояния).
Полиамид (PA), Полиэтилен (PE), Полипропилен (PP) не сильно отличаются друг от друга характеристиками (немного по разному взаимодействуют с химическими соединениями и имеют разный рабочий температурный диапазон). Из них изготавливают разнообразные зажимы проводника для держателей молниезащиты.
Купить комплектующие и материалы отчественных и зарубежных производителей можно в нашем Интернет-магазине: более 1.000 позиций оборудования (элементы систем заземления, молниеприемное оборудование, проводники, держатели, соединители, клеммы, УЗИП, уравнивание потенциалов и т.д.).
длине электрода равно 1 (а/1 = 1). Предварительно определяем число электродов в за-землителе, равное 3, и по табл. 6 определяем коэффициент использования rj, который принимаем равным 0,8. Это означает, что действительное сопротивление одного электрода в заземлителе из трех стержней вследствие их взаимного влияния будет равно:
г 187,4 гэ = — =- = 233,75 Ом,
П 0,8 а число электродов Пэ:
Устанавливаем, что заземляющее устройство состоит из трех электродов, связанных между собой металлическим прутком, диаметр которого 12 мм и длина 10 м, заглубленных в грунт на 0,7—1,0 м. С этого прутка также будет происходить растекание тока, что дает нам право уменьшить количество электродов с 3,34 до 3,0 штук.
Конструкция молниеотводов и их сооружение
Молниезащита сельской индивидуальной малоэтажной застройки в соответствии с широко распространенным опытом должна осуществляться при помощи молниепри-емников на крышах домов или на высоких деревьях, высота которых в 2—2,5 раза выше домов застройки. Эти рекомендации исходят из того, что сооружение предлагаемых молниеотводов не потребует значительных материальных затрат, при этом забывая, что кровля стоит больших денег и требует бережного к ней отношения, а установка мол-ниеприемнйков на деревьях на высоте 15— 20 м не может быть рекомендована по соображениям техники безопасности.
Подавляющее большинство строений в сельской местности покрыты шифером, дранкой или соломой, не допускающими без опасности их повреждения установки мол-ниезищитных устройств. И только строения, покрытые металлом, могут быть оборудованы такими молниеприемниками.
В качестве универсального молниеза-щитного устройства может быть предложен одиночный стержневой молниеотвод с заземляющим устройством, представленный на рис. 2.
Преимуществом одиночного стержневого молниеотвода является его универсальность, возможность путем выбора соответствующего места защитить значительные площади с несколькими строениями, а также долговечность, простота обслуживания и т.д.
Цель нашей статьи — не только ознакомить читателей с методикой расчета молниеотводов, но и предложить конструкцию, на основе которой можно спроектировать и построить молниеотвод меньшей высоты. Для изготовления молниеотвода могут быть использовны бывшие в употреблении трубы, швеллеры и уголки.
Изготовление молниеотвода доступно тем, кто способен выполнять простейшие слесарные работы: резку металла, в том числе и абразивным кругом, сверление, опиловку и т.п. Сварочные работы должны выполняться сварщиком или тем, кто имеет опыт сварочных работ. Подъем мачты рассчитан на то, что эта операция будет производиться без использования специальных машин силами 3—4 человек. Как следует из рис. 2, молниеприемник и молниеотвод должны крепиться на мачте, высота которой зависит от размеров зоны защиты молниеотвода.
На рис. 8 представлена конструкция молниеотводов, выполненная из металла, в силу чего она может быть использована и как молниеприемник и как молниеотвод.
Представленный молниеотвод состоит из узлов мачты и основания, соединенных между собой осью. На оси узел мачты, находящийся при изготовлении в горизонтальном положении, поворачивают и устанавливают в вертикальное положение. Такая конструкция позволяет избежать работ на высоте и дает возможность производить осмотр, окраску и ремонт мачты в более удобном горизонтальном (опущенном) положении.
Для предотвращения раскачивания мачты под действием ветров ее укрепляют с помощью трех растяжек.
Узел мачты представляет собой платформу, к которой приваривают мачту, состоящую из 5 труб (рис. 8, дет. 1—5), соединенных сваркой. Узел основания состоит из платформы, аналогичной платформе узла мачты, но сваренной в зеркальном отражении (то есть полки однозначных деталей должны быть обращены навстречу друг другу), как это показано на рис. 8.
К платформе с нижней стороны приваривают три ноги, к нижней части которых также приваривают пластины. Длина ног зависит от глубины промерзания почвы и вы-
Молниезащитные устройства (молниеотводы) состоят из молниеприемников, установленных на опорах или непосредственно на здании, токоотводов и заземлителей.
Молниеприемники непосредственно воспринимают прямой удар молнии, По конструкции они могут быть стержневыми (укрепленный на опорах) или тросовыми (подвешиваемыми над защищаемым объектом).
В качестве молниеприемника может быть также использована, сетка, сваренная из стальной проволоки диаметром 6—8 мм, с ячейками 6х6 мм, уложенная на кровлю или под слой негорючего утеплителя.
Стержневые молниеприемники изготавливают из стали любых марок и профилей сечением не менее 100 мм2 (наименьший диаметр 12 мм). Минимальная длина молниеприемника 200 мм. Наиболее рациональная длина — 1—1,5 м. Типовые конструкции молниеприемников изображены на рис. 1.
Рис. 1. Конструкции молниеприемников: а — из круглой стали; б — из стальной проволоки; е — из стальной трубы; г — из полосовой стали; д-из угловой стали
Для защиты от коррозии молниеприемники оцинковывают или окрашивают. Меднение или, тем более, золочение и серебрение острия молниеприемника не требуется.
Тросовые молниеприемники выполняют из стального многопроволочного оцинкованного троса сечением не менее 35 мм2 (диаметр около 7 мм), натягиваемого над протяженным защищаемым объектом. Соединять молниеприемники с токоотводами нужно сваркой.
Опоры отдельно стоящих молниеотводов можно изготавливать из стали, антисептированного дерева и железобетона. Допускается использовать в качестве опор молниеотводов стволы деревьев, растущих на расстоянии 5—10 м от защищаемого объекта (рис. 2).
Рис. 2. Молниезащита здания при помощи молниеотвода установленного на дереве
Для объектов II и III категории молниезащиты при III, IV и V степени огнестойкости деревья, растущие на расстоянии менее 5 м от зданий или сооружений, могут быть использованы в качестве опор молниеотводов, если выполняется одно из следующих условий:
1. по стене защищаемого здания против дерева по всей высоте здания прокладывается токоотвод, нижний конец которого заглубляется в земле и присоединяется к заземлителю;
2. от молниеприемника, установленного на дереве, токоотвод перекидывается на другое дерево, расположенное на расстоянии более 5 м от защищаемого здания. Токоотвод спускается по этому дереву и соединяется с заземлителем.
У деревьев, как оборудованных, так и не оборудованных молниеприемниками, со стороны дома должны быть обрублены ветви на расстоянии не менее 3 м от строения.
Токоотводы — это проводники, соединяющие стержневые или тросовые молниеприемники или молниеприемную сетку на кровле с заземлителем.
В качестве токоотводов допускается использовать металлические конструкции: колонны, продольную арматуру железобетонных колонн, пожарные лестницы, трубы и т. п.
Токоотводы нужно располагать в отдалении от входов в здания, чтобы люди не могли к ним прикоснуться.
Для защиты от коррозии они должны быть оцинкованы или окрашены. Их рекомендуется прокладывать по защищаемому зданию по кратчайшему пути к заземлителю. Все стыки токоотводов и соединения их с заземлителями должны быть сварными.
Рис. 3. Конструкция разъема между токоотводом и заземлителем: а — токоотвод из полосовой стали; б — токоотвод из круглой стали
Величина импульсного сопротивления заземлителя может быть определена из значения сопротивления для тока промышленной частоты по формуле:
где α — коэффициент импульса, зависящий от величины тока молнии, длины горизонтальных проводников заземлителя и удельного сопротивления грунта; R
— сопротивление растеканию тока промышленной частоты.
Тип заземлителя выбирается исходя из удельного сопротивления грунта и требуемой величины сопротивления,
Если вблизи защищаемого сооружения (на расстоянии 25 — 35 м) имеется защитное заземление, предназначенное для электротехнических установок, например заземление подстанции, то оно должно быть использовано и для целей молниезащиты зданий. В большинстве случаев сопротивление защитных заземлений меньше, чем требуется для молниезащиты.
Пример. Необходимо выбрать заземляющее устройство для молниеотвода, защищающего жилой дом. Грунт — суглинок нормальной влажности.
По данным удельного сопротивления грунтов находим для суглинка ρ =40— 150 Ом•м. .Принимаем среднее значение 100 Ом•м.
По справочной таблице находим, что защищаемый объект относится к III категории молниезащиты, и следовательно, импульсное сопротивление заземлителя должно быть не более 20 Ом:
Подбираем для р=100 Ом•м сопротивление заземлителя, близкое к 20 Ом.
Наиболее близко и удобно с точки зрения монтажа заземляющие устройства по эскизу 2; двухстержневой заземлитель из стержней диаметром 10—16 мм или уголков 40х40х4 мм длиной 2,5 м на расстоянии 3 м друг от друга, соединенных стальной полосой размером 40х4 мм на глубине 0,8 м (сопротивление R (2)
= 15 — 14 Ом), или по эскизу 7: горизонтальный полосовой заземлитель из полосы 40х4 мм длиной 5—10 м на глубине 0,8 м с подводом в середину (сопротивление R(7)
=12 — 19 Ом). Для первого варианта необходимо найти импульсный коэффициент по справочным таблицам.
Для ρ = 100 Ом•м α=0,7
Для заземлителя по эскизу 2 : R (2) н= α • R (2)
Для заземлителя по эскизу 7 импульсный коэффициент не учитываем, поэтому: R (7) н= R (7)
=19 Ом при длине 5 м (или 12 Ом при длине 10 м).
В обоих случаях обеспечивается требуемое нормами сопротивление заземления. Принимаем вариант по эскизу 2 как менее трудоемкий и дающий некоторый запас надежности. Если по местным условиям имеются трудности в забивании уголка или ввертывании круглых стержневых электродов, вполне допустимо выполнить заземление молниеотвода по эскизу 7 (длина полосы 5—10 м).
