Современные системы молниезащиты

9 Февраля 2016
Стержневые вертикальные заземлители

Разновидности заземлителей

Заземлители в системах молниезащиты бывают как естественными – когда в их роли выступают металлические и железобетонные конструкции сооружений, пребывающих в контакте с землей, – так и искусственными. Нормативная база Украины отдает предпочтение естественным заземлителям, искусственные же рекомендованы в случаях, когда применение естественных по каким-либо причинам невозможно.

Горизонтальные заземлители необходимо располагать на глубине не менее полуметра от уровня земли. На практике их располагают ниже – от 0,7 до 1 м, в зависимости от уровня промерзания грунта. Лучевые вертикальные, горизонтальные или наклонные электроды располагают на расстоянии не менее 1 м от фундамента сооружения. Требования к материалам и сечениям элементов системы заземления молниезащиты приводятся в национальном и международном стандартах. Согласно нормам международного стандарта IEC 62305 применяется два основных типа (А и В) размещения заземляющих электродов. График для определения минимальной длины L1 заземлителей в соответствии с уровнем защиты и в зависимости от удельного сопротивления грунта приведен на рисунке. Можно видеть, что для уровней защиты III и IV длины не зависят от удельного сопротивления грунта. При этом каждый токоотвод следует присоединить по крайней мере к одному заземлителю. На сооружении их должно быть не менее двух. Минимальная длина для каждого заземлителя составляет: L1 - для радиальных горизонтальных электродов; 0,5 L1 - для вертикальных (или наклоненных) электродов, если местоположение этого типа заземлителей создает опасность для людей или животных, нужно применять определенные средства и мероприятия. Когда в случае хорошей проводимости почвы достигается значение сопротивления менее 10 Ом, допускается отойти от требований к минимальной длине электрода. Заземлители этого типа подходят к почвам с низким удельным сопротивлением и для небольших сооружений. В этих случаях вертикальные электроды являются экономически более эффективными и дают стабильные величины сопротивлений заземления по сравнению с горизонтальными электродами. Для комбинированного заземления длины радиальных и вертикальных электродов учитываются вместе, Тип В включает контурные и фундаментные заземлители. Для этого типа сначала проверяют выполнение условия, чтобы эквивалентный радиус r зоны, охватывает контур, был не меньше, чем величина L1: r ≥ L1. Как и раньше, L1 определяют для соответствующего уровня защиты и величины удельного сопротивления грунта с помощью диаграммы, приведенной на рисунке. Если требуемая величина L1 является больше, чем практически приемлемая величина r, тогда устраивают дополнительные радиальные или вертикальные (или наклонные) электроды, индивидуальные длины которых Lr (горизонтальных) и Lv (вертикальных) определяют по следующим выражениям:

Lr = L1-r и Lv = О, 5 (L1-r)

При подборе глубины расположения и типа электродов следует минимизировать влияние коррозии, высыхания и замерзания почвы, то есть стабилизировать эквивалентное сопротивление. При промерзании почвы, для вертикальных заземлителей часто рекомендуют не учитывать его верхнюю часть длиной 1 м, как недостаточно эффективную. Для толстых слоев скал (даже с тонким слоем почвы) устраивают заземлитель только типа В. Что касается «естественных» заземлителей, то чаще всего это - имеющиеся металлические части (шпунты укрепления фундаментов, трубы скважин), арматура железобетонных конструкций и так далее. Следует проверить, являются ли сечения и другие параметры приемлемыми для использования их в качестве заземлителей. Также в случае использования арматуры железобетонных конструкций особое внимание следует уделить местам соединений (надежные электрические контакты, неразрывность электрической цепи), чтобы не допустить механического раскалывания бетона вследствие действия тока. В частности, это касается и случаев использования предварительно напряженного бетона, когда протекания токов молнии может вызвать недопустимые механические нагрузки.

Проверка систем молниезащиты

Материалы токоотводов и заземлителей

Относительно выбора материалов для токоотводов и заземлителей, отечественный норматив для обустройства молниезащиты зданий и сооружений содержит требования только для стальных, медных и алюминиевых проводников. В международном нормативе более подробно обсуждается возможность использования различных материалов (медь, сталь с покрытием путем горячего оцинкования, нержавеющая сталь, свинец и так далее). Значительное внимание уделяется вопросам уменьшения коррозии. Алюминий нельзя использовать в почве, а в бетоне наиболее целесообразно использовать оцинкованную сталь. Есть также немало тонкостей по сопряжению разнородных материалов в воздухе, при прокладке одного из них или обоих в бетоне и в почве, при функционировании вблизи системы электрической защиты от коррозии и т.п. Соединение проводников из разных материалов можно осуществлять путем сварки, пайки, использования биметаллических соединителей и др. Места сварки и соединений в почве проводников, даже из одинаковых материалов, дополнительно защищают антикоррозийными пастами, аэрозолями, бандажной ленты и т.п. При разработке сложных проектов следует привлекать специалистов по вопросам коррозии. В местностях с высоким удельным сопротивлением грунта для достижения требуемой величины сопротивления заземления иногда используют специальные растворы или смеси, которые со временем твердеют. Важно перед использованием проверить их и убедиться в наличии соответствующих сертификатов по их эффективности, поскольку применение некачественных веществ может привести позднее к резкому ухудшению (увеличению) сопротивления заземления, усилению коррозионных процессов, негативных экологических воздействий и т.п. Если сравнить минимальные сечения стальных проводников по отечественному и международному стандарту, то можно отметить, что они достаточно близки между собой, хотя и имеются определенные различия.

Примеры и особенности устройства некоторых видов заземлителей и токоотводов

Стержневые вертикальные заземлители

Контурные заземлители

Для заземлителей обычного углубление типично используют цельные стержни длиной от 1 до 3,5 -5 м. Чаще всего встречаются профили стержней в виде: круга, трубы, угла, креста, тавра. Их сечения, разумеется, должны обеспечивать механическую прочность при забивке и длительный срок службы с учетом коррозии. Присоединение проводников заземления к таким заземлителей осуществляют сваркой (например, экзотермическим способом), болтовым соединением к заранее приваренным пластинам на стержнях или с помощью специальных зажимов (которые позволят соединить круговой стержень с проводниками из проволоки или полосы). Стержни с уже приваренной полосой или круглым проводом длиной 2 - 3 м можно присоединять непосредственно к контрольному разъему. Материалы выбирают с учетом конструкции всей системы молниезащиты, условий окружения (атмосфера, стены, грунт) токоотводов и заземления, коррозионной совместимости и т.п. Для обсуждаемых глубин чаще используют оцинкованные или обычные стальные стержни (во временных или дешевых конструкциях удовлетворяются углом 40 х 40 х 4 мм или арматурой диаметром примерно от 14 мм с «черной» стали). Иногда для таких углублений набирают стержни из нескольких коротких круглых электродов длиной от 1,5 до 2 м. Их удобно транспортировать, они имеют специальные узлы для легкой сборки при монтаже. Но важно, чтобы конструкция этих узлов обеспечивала надежные соединения. Чтобы избежать возможных проблем из-за ненадежности контактов в соединениях, используют решения, когда впереди первого стержня устанавливают головку с приваренной металлической полосой и, таким образом, во время забивания в грунт наборных стержней один конец полосы затягивают на нужную глубину. После этого короткий верхний стержень можно удалить. Таким образом обеспечивают прокладку заземляющего контрольного разъема без разрывов к заземлителю. В этом случае требования к стержням и узлам соединений можно упростить. Глубинные заземлители, которые вводят в грунт на десятки метров, обычно делают с использованием упомянутых коротких электродов, которыми набирают необходимую длину. Забивание осуществляется при помощи вибромолотов. В этом случае стержни должны быть достаточно прочными (чаще всего это - стальные оцинкованные или омедненные, диаметром от 15 до 25 мм). К узлам соединений также предъявляют повышенные требования. Короткие стержни имеют с одного конца круговой или многогранный выступ, а с другой - соответствующее углубление, которое позволяет с натягом вставить выступление от смежного стержня. В парке Варшавской Политехники вблизи электротехнического корпуса из травы выглядывают верхушки трех металлических стержней. «Не было смысла бить дальше, потому что вот эти два начали уже сгибаться», - так объяснял господин доцент Лобода результаты натурных испытаний механических характеристик систем глубинных заземлителей.

Иногда соединения стержней осуществляют шпильками с резьбой, которые вкручивают в резьбовые отверстия стержней. Также используют конструкции соединений с помощью муфт. В этом случае на концах стержней резьба расположена на внешней поверхности, а муфты имеют внутреннюю резьбу. При этом внешний диаметр муфт немного больше диаметра стержней, что дает положительные и отрицательные последствия при устройстве заземления. На стальных стержнях с цинковым покрытием последнее должно быть произведено горячим способом (толщина покрытия составляет от 25 до 60 мкм). Хорошего качества омедненные стальные стержни обычно имеют покрытия из электролитической чистой меди (99,9%) толщиной не менее 0,25 - 0,5 мм. В отдельных специальных случаях глубинные заземлители реализуют в виде скважин со стальными трубами. Такой подход является достаточно дорогим, требует использования машин для бурения и т.п., но на это идут для достижения нужных малых стабильных величин сопротивления заземления. Лучше всего, конечно, если на объекте уже существует такая скважина и ее трубу можно одновременно использовать и как заземлитель. В случаях, когда громоздкую бурильную технику применить невозможно (например, устройство заземления в тесном подвале уже существующего строения), то оптимальной остается вышеупомянутая технология с использованием стержней, которые постепенно набираются в длинный заземлитель во время забивания.

Контурные заземлители

Когда дом занимает площадь в несколько сотен метров, контурные заземлители достаточно являются эффективными, и даже в почвах с низкой проводимостью обеспечивают необходимую величину сопротивления заземления. Например, в небоскребе Минтранса Украины, расположенном на проспекте Победы, сопротивление смонтированного контурного заземления составляет менее 1 Ом. Интересно, что глубинный стержневой заземлитель в той же почве не «дотянул» и до 10 Ом! Потребность в дополнительных стержневых заземлителях возникает преимущественно для небольших объектов. Контурные заземлители удобно закладывать сразу с началом строительства или перестройки сооружения. При этом важно кроме правильного выбора материала и сечения, обеспечивать углубление на 0,5 - 1 м и отступление от стен (фундаментов) не менее чем на 1 м.

Фундаментные заземлители

Ниже приведен пример экономического, надежного и эффективного фундаментного заземления для сооружений коттеджного типа. Для этого достаточно сделать траншею для фундамента на 10 см глубже. На ее дно через каждые 2,5 - 3 м забивают дистанционные элементы в виде специальных колышков-фиксаторов. Стальную полосу сечением 40x4 мм или круглый провод диаметром 10 мм плотно закрепляют в пазы на верхушках колышков таким образом, чтобы они были на 5 - 8 см выше уровня почвы. От полосы (проволоки) делают отводы к контрольным зажимам (или токоотводам) и к шине уравнивания потенциалов, после чего на дно траншеи укладывается десятисантиметровый слой жидкого бетона. Бетон предотвращает проникновение к заземлителю влаги и кислорода, вместе с цинковым покрытием стальных элементов существенно замедляет коррозию. Используя как заземлитель монолитный железобетонный фундамент, необходимо обеспечить надежное электрическое соединение отдельных фрагментов арматуры между собой и с токоотводами. Лучше всего для этого использовать специальные соединители, которые прошли стандартные испытания.

Фундаментные заземлители

Безопасное расстояние от токоотводов

В качестве элементов системы заземления, так и провода внешней молниезащиты следует располагать на достаточном расстоянии от электрических коммуникаций и чувствительного электрооборудования (как извне, так и внутри сооружения). Пренебрежение требованиями безопасного расстояния чаще всего приводит к повреждению аппаратуры офисных телефонных и компьютерных сетей во время грозы. Нередко приходится дорабатывать существующую молниезащиту ввиду появления на крыше дополнительного оборудования (системы вентиляции и кондиционирования, приемо-передающие устройства и т.п.). Некоторое оборудование требует изолированной системы молниезащиты. Иногда надо как можно проще (без растяжек) дополнительно зафиксировать тонкий и длинный молниеприемник, не присоединяясь его металлическими элементами к оборудованию на крыше. В таких случаях рекомендуется применять системы изоляционных элементов производства известных фирм-производителей, например, немецкой компании «OBO Вatterman СmbH & Со.», с помощью которых можно закреплять молниеприемник отдельно или непосредственно к защищаемому объекту.

Проверка систем молниезащиты

Проверка величины сопротивления заземления и состояния заземлителей выполняется как составная часть процедуры проверки и обслуживания системы молниезащиты. Согласно ДСТУ Б В.2.5-38:2008 проверки выполняются при вводе объекта в эксплуатацию, а также проводится периодический ежегодный контроль перед началом периода грозовой активности и внеплановый – при срабатывании системы молниезащиты, после внесения изменений в систему молниезащиты, каких-либо повреждений защищаемого объекта, а так же при проведении вблизи него земляных работ. В частности, проверяют целостность и защищенность от коррозии видимых частей молниеприемников и токоотводов и контактов между ними, а также величину сопротивления току расстекания. Эта величина не должна превышать более чем в 5 раз результаты соответствующих измерений на стадии приемки.

Согласно стандартам МЭК, визуальное обследование должно выполняться не реже одного раза в год. В зонах с тяжелыми погодными и другими условиями такие обследования рекомендуется проводить чаще. Полная проверка и испытания (измерения) проводятся с интервалами от 2 до 6 лет в зависимости от класса защиты. Критические компоненты, например, части системы молниезащиты, на которые действуют большие механические силы, ограничители перенапряжений, элементы системы уравнивания потенциалов кабелей и труб и т.п., должны полностью инспектироваться каждые 1-4 года, в зависимости от назначения сооружения или от характеристик окружающей среды. Во время измерения сопротивления заземления важно учитывать его возможные изменения в разные сезоны за вариаций температуры и осадков. Если наблюдается заметное отклонение от запроектированных параметров и, особенно, если есть тенденция постепенного роста сопротивления, то принимают решение о модернизации системы заземления. Заметим, что современные компоненты и технологии позволяют разрабатывать системы заземления, которые при правильной эксплуатации и обслуживания надежно работают как минимум в течение 30 лет. Как правило, измерения сопротивлений заземлителей осуществляют в местах расположения контрольных соединителей, где токоотводы подходят к проводникам системы заземления. Контрольные разъемы должны быть на каждом опуске, за исключением «естественных» (арматура ж / б конструкций, металлические фасады и др.). Их устанавливают-на стене сооружения (непосредственно на опусках или в монтажных коробках и люках) или в специальных колодцах (пластиковых, металлических, бетонных) на уровне земли вблизи сооружения. Измерение сопротивление контура заземления, как правило, проводится на промышленной частоте.



Вернуться к списку