Контура молниезащиты и заземления. Устройство и монтаж молниезащиты и заземления Повторное объединение рабочего заземления и контура молниезащиты

06.03.2020

Молниезащита.

Природа постоянно поражает человечество удивительными явлениями. Могущество и неконтролируемость молнии, завораживает и одновременно таит в себе ряд опасных для человека вещей. Последствия удара молнии могут быть самыми разнообразными, начиная от обугленного участка земли и заканчивая плачевным исходом. Огромную разрушительную силу несёт в себе молния, которая попадая в дом, оставляет непоправимые последствия. Чтобы обезопасить и исключить повреждения дома и имущества вследствие такой стихии, требуется молниезащита в частном доме. Молния - это природный разряд электричества, который происходит в нижних слоях атмосферы земли, и довольно серьёзно повреждает линии электропередач домов и других строений. Удар молнией происходит очень быстро, молниеносный разряд достигает земли с сумасшедшей скоростью.

Современные строения, а также оборудование, техника, произведённая, по новым технологиям стала, больше привлекать молниеносный разряд. Например, такие предметы как сотовые телефоны, антенны и иное беспроводное оборудование. Однако в настоящие время знания и технологии позволяют противостоять этим явлением и увеличивают шансы на безопасность частных домов и находящихся по близости строений. Молниезащита направлена на обеспечение безопасности зданий и находящихся в них людей от опасного воздействия разряда молнии. В качестве защитной меры применяются молниеотводы. Такие устройства включают в себя несколько основных компонентов. Контур заземления, согласно ПУЭ (Правилам устройства электроустановок), заземление – это преднамеренно выполненное соединение электроустановок, приборов и оборудования с заземляющей конструкцией. Молниеотвод, состоит из стержневого молниеприемника, воспринимающего удар молнии, токоотвода и молниеприемника с заземлителем, который отводит молнию в землю. Молниеприемник-металлический элемент для приема электрических разрядов. Его можно установить на кровле жилого дома. Молниеприемник необходимо закреплять в самой высочайшей точке крыши. Если площадь кровли очень велика или имеет сложную конфигурацию, понадобится установка дополнительных молниеприемников.

1. Согласно инструкции “ По устройству молниезащиты зданий и сооружений “ (№ РД - 34.21.122 - 87) и принимая степень огнестойкости здания - 3 категории, для грозозащиты здания применяем молниеотвод.

2. Молниеотвод состоит из:

стержневого молниеприемника, воспринимающего удар молнии;
токоотвода, соединяющего молниеприемник с заземлителем;
заземлителя, который отводит молнию в землю.

3. Молниеприемники (2 шт.) устанавливаются на существующих кирпичных трубах. Высота молниеприемника по отношению к самой высокой точке крыши должна быть не менее 0,25 м.

4. Молниеприемник соединить с токоотводом и заземлителем способом сварки.

5. Молниеприемники и токоотводы, а также места сварных соединений следует окрашивать устойчивой краской во избежание их коррозии и ржавения.

6. Заземлители располагают на расстоянии не менее 0,5 м от фундамента защищаемого здания, в стороне от дверей.

7. Горизонтальный заземлитель присоединять к вертикальным заземлителям с отступлением от верхней кромки заземлителя и стального уголка на 50,0 - 60,0 мм.

8. Токоотвод прокладывать в плотную к поверхности крыши, стен здания.

9. Ввод в здание от контура заземления к ГЗШ (главной заземляющей шине) следует выполнить проводниками из круглой стали диаметром не менее 6 мм от 2-х противоположных точек соединения на контуре заземления, используя в местах пересечения со строительными конструкциями толстостенные газоводопроводные металлические трубы. Ввод в здание рекомендуется выполнить на высоте 0,5 м от поверхности земли у фундамента здания.

В повседневной жизни каждый человек давно привык пользоваться электрическими приборами. Представить жизнь без электротехники достаточно сложно. Чтобы в случае неисправной работы оборудования не столкнуться с угрозой высокого напряжения для здоровья и жизни, требуется устанавливать контур молниезащиты и заземления.

Заземление производиться специальным оборудованием, которое соединяет элементы приборов, не предназначенные для нахождения под напряжением, с землей.

В тех случаях, когда нарушается изоляция у электроприборов, ток поступает на непредназначенные для него элементы, в том числе на корпус техники.

Результатом пробоя изоляции может стать выход из строя оборудования, а при прикосновении человека к частям можно получить вред здоровью или летальный исход.

Контур заземления позволяет увести большую часть тока в землю. Для этого необходимо соблюсти минимальные показатели сопротивления.

Устройство

Схема устройства заземления включает в себя металлические трубы, стержни, которые соединены между собой металлической проволокой с заглублением в грунте. Устройство подключают к щитку с помощью шины. Конструкция заземления должна располагаться на расстоянии от дома не более 10 м.

Чтобы выполнить контур заземления своими руками в качестве электродов можно использовать любые металлические формы, которые возможно забить в грунт и имеющие сечение больше 15 кв.мм.

Металлические стержни располагают в замкнутую цепочку, форма которой зависит от количества электродов в контуре. Конструкцию следует углублять в землю ниже уровня промерзания.

Создать контур своими руками можно из подручных материалов, либо приобрести готовый прибор. Готовое оборудование контура заземления отличается высокими ценами, но при этом удобно в монтаже и прослужит долго.

Контуры разделяют на два типа:

традиционный;
глубинный.

Для традиционного контура характерно расположение одного электрода из стальной полосы в горизонтально, а остальные устанавливаются вертикально, для них применяют трубы или стержни. Углубляют контур в той части, которая менее доступна для людей, чаще всего выбирают затемненную сторону, для сохранения единой среды.

К недостаткам системы традиционного контура можно отнести:

сложное исполнение работ;
материалы для заземления подвержены образованию ржавчины;
среда залегания может создавать недопустимые для контура условия.

Глубинный контур лишен большинства недостатков традиционного, для него используется специальное оборудование.

Имеет ряд достоинств:

оборудование отвечает всем установленным стандартам;
длительный срок службы;
среда залегания не влияет на защитные функции контура;
простота монтажа.

Установка контура требует обязательной проверки всей системы заземления. Необходимо убедиться в качестве выполненных работ, убедиться в прочности контура, нет ли не соединенных частей.

Обязательно проведение исследований от специалистов с лицензией. Для установленного контура заземления оформляется паспорт, протокол проверки и акт допуска оборудования к работе. Контур заземления должен соответствовать изложенным в ПУЭ нормам.

Заземление для трансформатора

Для заземления трансформаторной будки используется наружный или внутренний контур, выбор варианта зависит от особенностей конструкции.

Наружный контур создается для подстанции, состоящей из одной камеры.

Схема оборудования состоит из вертикальных стержней и горизонтальной стальной полосы. Размеры горизонтального заземлителя 4х40 мм.

Показатель сопротивления для контура должен составлять не более 40, для земли он должен не превышать отметки в 1000. Исходя из указанных параметров контур должен состоять из 8 электродов с размерами в 5 м, а сечением в 1,6 см. Контур должен пролегать не ближе, чем на метр от стен здания, где расположена подстанция. Глубина залегания контура заземления 70 см.

Для создания молниезащиты трансформатора крышу связывают с контуром заземления с помощью восьмимиллиметровой проволоки.

Если подстанция состоит из трех камер, то по всему периметру составных частей устанавливается полоса из контура. Эта мера позволяет обезопасить все элементы металлической конструкции.

Для этого крепят шину заземления с помощью держателей на расстоянии более полуметра между ними. Расстояние от поверхности должно составлять 40 см. Элементы контура привариваются либо скрепляются болтами. Для цельного соединения применяют провод без изоляции. Проводники заземления прокладывают через стену и окрашивают в зелёный цвет, на котором на расстоянии в 15 см делаются желтые полосы.

Заземление для трехфазной сети

Если в доме используется сеть с напряжением в 220 В, то заземление производить не обязательно, можно ограничиться осуществлением зануления оборудования.

Контур заземления для домов с сетью с напряжением в 380 В обязателен.

Разница между двумя системами контуров заключается в показателях сопротивления для сети. В случае с 220 В сопротивление должно составлять не более 30 Ом, для трехфазной сети показатель варьируется от 4 до 10 Ом. Это связано с уровнем удельного сопротивления земли. Грунт в разных местностях имеет различный состав, а следовательно и у каждого грунта свои показатели сопротивления.

Перед выполнением работ следует провести точный расчет для контура, чтобы вычислить количество требуемых заземлителей для сети.

Расчет производится по формуле R=R1/KxN, где R1 — сопротивление электрода, К — коэффициент, характеризующий нагрузку на сеть, N — число электродов в контуре.

Для создания контура для трехфазной сети требуется особое внимание уделить материалам, т.к. данная сеть требовательна к качеству заземления.

Выбор должен отталкиваться от следующих требований:

если функцию электрода выполняет труба, то ее стенка должна быть не тоньше 3,5 мм;
при выборе уголка обратите внимание на толщину, которая должна составлять не менее 4 мм;
диаметр сечения штырей не меньше 16 мм;
полоса связующая между заземлителями должна отвечать размерам 25х4 мм.

Установка контура выполняется по периметру, форма его может быть любой, в зависимости от количества электродов. Чаще всего выполняют в форме треугольника. Оборудование заземления ввинчивают в землю на глубину полметра.

Расстояние между углами, которого равно длине одного заземлителя. Соединение с полосой выполняется с помощью болтов или методом сварки.

По окончании работ по монтажу контора, к нему присоединяют шину и подключают к распределительному щитку. Пример контура заземления отображен на фото.

Создание систем защиты электроприборов от воздействия нежелательного напряжения и природных явлений как молния является важным моментом. Предпринятые меры позволяют обезопасить человека от пагубного воздействия тока, а также избежать порчи оборудования.

Создание заземляющих контуров и молниезащиты возможно своими руками. Важно, чтобы контур заземления отвечал требования ПУЭ и принятых стандартов. Качество материалов и исполнения отражается на уровне защиты электроприборов. Неверное исполнение может послужить выходу большего напряжения, которое нанесет вред.

Контур молниезащиты — это комплексная система защиты объекта от прямых ударов молнии: молниеприемник, токоотвод, заземление. Классическая схема, предложенная Бенджамином Франклином еще в далеком 1752 году, лежит в основе всех современных систем молниезащиты. Проверенная технология в сочетании с новейшим оборудованием, профессиональным проектированием и монтажом дают практически стопроцентную защиту от поражения молнии!

Контур молниезащиты зданий и сооружений

Молниеприемники

Стержневый молниеприемник . Металлические стержни устанавливаются на крыше или в самых высоких точках. Для увеличения высоты конструкции используются специальные металлические мачты. Для крупных объектов рекомендуется устраивать несколько отдельно стоящих стержней по периметру с автономными токоотводами.
Тросовый молниеприемник . Молния ударяет в трос, натянутый между опорами. Технология уместна для протяженных объектов. Типичный пример — линии электропередач, которые защищают именно тросовыми громоотводами.
Молниеприемная сетка . Система используется преимущественно на плоских кровлях: по всей площади устраивается металлическая сетка с шагом до 5х5 м. Стоит отметить, что сетка не защищает выступающие объекты, например, антенны или дымоходы. Именно поэтому в схему молниезащиты также включают стержни, включая их в общую цепь.

Помимо классических решений, используются активные молниеприемники. Устройства ионизируют воздух, провоцируют удар молнии. Благодаря этому допускается уменьшение количества молниеотводов и общей высоты контура молниезащиты.

Токоотводы

Алюминиевый или стальной проводник, основная задача которого — передать ток от молниеприемника к заземлителю. Как правило, на зданиях устраиваются внешние токоотводы, но в некоторых случаях, согласно инструкции РД, допускается использование строительных конструкций, например, арматуры в железобетонных блоках. Однако это недопустимо, при наличии высокочувствительной электроники: создаваемое электромагнитное поле при прохождении разряда может вывести из строя оборудование.

Для токоотвода используется проводник сечением 6 мм, все соединения — сварные. В местах, где возможен контакт с человеком, трос необходимо изолировать. Кроме того, должен быть прямой доступ к токоотводу для регулярных осмотров.

Заземление

Итак, молниеприемник принял разряд и передал его по токоотводу к заземлителю или контуру заземления — несколько вертикальных электродов, установленных в грунте и соединенных между собой горизонтальным проводником. Единственная цель заземляющего устройства — рассеять полученный ток в земле. Для экономии пространства контур обычно формируется по периметру объекта, но не ближе 1 м к фундаменту. Инструкция РД требует наличие не менее 3 электродов в контуре, однако, современные технологии предлагают наиболее эффективное решение: монтаж составного глубинного электрода. Благодаря погружению на глубину до 30 метров для достижения необходимого порога сопротивления достаточно установки одного заземлителя.

Расчет контура молниезащиты

Правильно рассчитать и спроектировать молниезащиту — ключевые задачи для обеспечения безопасности здания от прямых попаданий молнии. Для сложных объектов, а также систем, превышающих 150 м в высоту, расчет выполняется с помощью специальных компьютерных программ. Для всех прочих зданий и сооружений в инструкции СО 153-34.21.122-2003 приведены стандартные формулы для расчетов.

Зона защиты для контура со стержневыми молниеприемниками — это конус, в котором наивысшая точка совпадает с вершиной молниеприемника. Подзащитный объект должен полностью умещаться в защитный конус. Таким образом, зона защиты может быть увеличена при подъеме молниеприемника или установке дополнительных стержней.

По схожему принципу рассчитывается и контур тросовой молниезащиты. В этом случае получается защитная трапеция, высота которой — расстояние между тросом и землей.

Сопротивление контура заземления

Сопротивление заземления измеряется в Ом, и в идеальном случае должно равняться 0. Однако на практике значение недостижимо, поэтому для молниезащиты установлен максимальный порог — не более 10 Ом. Однако величина зависит от удельного сопротивления почвы, поэтому для песчаных грунтов, где этот параметр достигает 500 Ом/м, сопротивление увеличивается до 40 Ом.

Объединение контура заземления и молниезащиты

В соответствии с пунктом 1.7.55 ПУЭ для оборудования и молниезащиты зданий II и III категории в большинстве случаев устраивается общий контур заземления. Однако следует различать виды заземления:

Защитное — для электробезопасности оборудования.
Функциональное — необходимое условие для корректной работы спецоборудования.

Запрещено совмещать функциональное заземление с защитным или заземлителем молниеприемника: есть риск заноса высоких потенциалов и выхода из строя чувствительного оборудования.

При этом можно объединять заземление для молниеприемника и защиты электрооборудования или устраивать отдельно, но соединять между собой через специальный зажим для уравнивания потенциалов.

Проектирование молниезащиты — задача ответственная и сложная. Доверьте профессионалам защиту вашего дома или офиса, обращайтесь к опытным специалистам нашей компании! Получить консультации можно на сайте или по телефону.

Здесь снова приходится опустить Инструкцию СО-153-34.21.122-2003, не содержащую никаких конкретных требований к заземлению молниеотводов. В Инструкции РД 34.21.122-87 формально требования сформулированы, но они касаются не величины сопротивления заземления, а конструкции заземляющих устройств. Для отдельно стоящих молниеотводов речь идет о фундаментах опор молниеотводов или о специальном заземлителе, минимальные размеры которого показаны на рис. 7.

Рисунок 7. Минимальные размеры заземлителя из горизонтальной полосы и трех вертикальных стержневых электродов по РД 34.21.122-87

В нормативе нет никаких указаний об изменении размеров электродов в зависимости от удельного сопротивления грунта. Это значит, что по мнению составителей типовая конструкция признается пригодной для любых грунтов. Насколько при этом будет меняться ее сопротивление заземления R gr , можно судить по расчетным данным рис. 8.

Рисунок 8. Расчетное значение сопротивления заземления типового заземлителя из Инструкции РД 34.21.122-87

Изменение значения R gr в пределах почти 2-х порядков величины вряд ли можно расценивать как нормирование. Фактически никаких конкретных требований к величине сопротивления заземления норматив не содержит и этот вопрос безусловно заслуживает специального рассмотрения.

Стандарт ОАО «Транснефть» удивил таблицей нормированных значений сопротивления заземления молниеотводов (рис. 9), которую составители полностью скопировали из последнего издания ПУЭ, где она относится к заземлителям опор ВЛ 110 кВ и выше. Жесткие требования ПУЭ вполне понятны, поскольку сопротивление заземления опоры ВЛ в значительной мере определяет величину грозового перенапряжения на линейной изоляции. Мотивы переноса этих требований на заземления молниеотводов выяснить невозможно, тем более, что в высокоомных грунтах их вообще не удается реализовать при помощи сколько-нибудь разумных конструкций. Чтобы продемонстрировать это, на рис. 10 показаны результаты расчета заземлителя молниеотвода совершенно фантастического исполнения. Он представляет собой полностью металлическую конструкцию квадратного сечения, длина стороны которого указана на оси абсцисс. Рассчитаны два варианта - с глубиной заложения в грунт 3 и 10 м. Легко убедиться, что в грунте с удельным сопротивлением ρ = 5000 Ом м нормированное значение 30 Ом (R З /ρ = 0,006 м -1) потребует заполнить металлом окрестность фундамента молниеотвода более, чем 50х50 м. Не лучше ситуация и с протяженном заземлителем. В тех же условиях для обеспечения требуемого сопротивления заземления нужна горизонтальная шина длиной более 450 м.

Эквивалентное удельное сопротивление грунта ρ, Ом*м	Наибольшее допустимое сопротивление заземления опоры по ПУЭ, Ом

Более 100 до 500
Более 500 до 1000
Более 1000 до 5000

Таблица 9

Рисунок 10. К оценке возможностей выполнения требований стандарта ОАО «Транснефть» при помощи сосредоточенного заземляющего устройства

Требования стандарта ОАО "Газпром" предельно конкретны. Сопротивление заземления отдельно стоящего молниеотвода для I и II уровней защиты должно быть равно 10 Ом в грунтах с ρ ≤ 500 Ом м. В более высокоомных грунтах допускается использовать заземлители, сопротивление которых определяется как

Отдавая себе отчет в сложности изготовления такого относительно низкого сопротивления заземления, стандарт рекомендует химическую обработку или частичную замену грунта. Заслуживает внимания оценка объема рекомендованных работ в конкретных условиях. Ее легко выполнить для простейшей ситуации, ориентируясь на полусферический заземляющий электрод, потенциал которого в двухслойном грунте (независимо от того, что было сделано - химия или механическая замена грунта) согласно рис. 11 равен

Рисунок 11. К оценке сопротивления заземления в двухслойном грунте

Откуда точное значение сопротивления заземления определяется как

В предельном случае, когда химическая обработка или замена грунта оказались столь эффективны, что его удельное сопротивление упали почти до нуля,

Выражение позволяет оценить снизу радиус обработки r 1 . В рассматриваемом примере он оказывается равным приблизительно 40 м, что соответствует объему грунта около 134000 м 3 . Полученное значение заставляет очень серьезно задуматься о реальности намечаемой операции.

Рисунок 12. Сопротивление заземления двухлучевого горизонтального заземлителя в зависимости от толщины верхнего обработанного слоя грунта

К похожему результату приводит оценка и для любой другой практически значимой конфигурации заземляющих электродов, например, для двухлучевого заземлителя из горизонтальных шин длиной по 20 м. Расчетная зависимость на рис. 12 позволяет оценить, как меняется сопротивление заземления такой конструкции при вариации толщины верхнего низкоомного слоя замененного грунта. Требуемое сопротивление заземления в 20 Ом получается здесь при толщине обработанного (или замененного) слоя в 2,5 м. Важно понять, на каком расстоянии от заземлителя можно прекратить обработку. Показателем является потенциал на поверхности земли U(r). Изменение удельного сопротивления перестанет влиять на результат там, где потенциал U(r) станет намного меньше потенциала заземляющего электрода U З = U(r 0).

2.2. С какой целью заземляется молниеотвод

Прошу не считать банальным заголовок раздела. Молниеотводы заземляли всегда, с момента их изобретения, иначе как они могли бы отвести в землю ток молнии. Современные руководства говорят о том, что сопротивление заземления должны обеспечить безопасный отвод тока молнии . О какой опасности и безопасности речь? Здесь не удастся отговориться банальностями. Наверное, стоит еще раз вспомнить о воздушных линиях электропередачи. Там сопротивление заземления определяет резистивную составляющую грозовых перенапряжений которые действуют на гирлянду изоляторов.

Ничего подобного нет у молниеотводов. Их молниеприемник ”без проблем” принимает потенциал заземляющих электродов. Присутствие конечного сопротивления заземления никак не влияет и на способность молниеотвода притягивать к себе молнию. В лаборатории не раз пытались проследить за влиянием сопротивления заземления на этот процесс и каждый раз безрезультатно. Объяснение здесь достаточно простое и очевидное. Молния никогда не ударяет в молниеотвод. Ее встречает и притягивает к себе плазменный канал встречного разряда, который стартует от вершины молниеотвода в электрическом поле грозового облака и заряда уже формирующейся молнии. Этот канал (его называют встречным лидером) развивается при токе не более десятков ампер. Падение напряжения от такого слабого тока на сопротивлении заземления молниеотвода мало значимо по сравнению с потенциалом порядка 10 7 -10 8 В, который несет молния от грозового облака. Действительно, при сопротивлении заземления 10, 20, 100 или 200 Ом напряжение на заземлителе от тока ~ 10 А все равно не превысит даже 10 4 В - величину ничтожно малую по сравнению с тем, чем располагает молния.

Отдельно стоящий молниеотвод, как известно, используют с единственной целью - устранить распространение тока молнии по металлоконструкциям защищаемого объекта. Именно для этого выбираются вполне конкретные расстояния от молниеотвода до объекта по воздуху и по земле. Допустим, что они выбраны верно и действительно исключают искровые перекрытия. Тем не менее, ток в заземлитель объекта попадает и попадает достаточно весомой долей, особенно когда функцию его заземления исполняет достаточно большой по площади фундамент защищаемого сооружения. Расчетные данные на рис. 14 показывают эту долю в зависимости от расстояния между заземлителями. У молниеотвода он выполнен согласно предписанию Инструкции РД 34.21.122-87 в виде горизонтальной полосы длиной 10 м с 3-мя вертикальными стержнями по 3 м каждый; фундамент объекта имеет размеры 50х50 м и заглублен на 3 м. Компьютерные расчеты выполнены для однородного грунта и для случая, когда поверхностный слой основного грунта на глубину до 2,5 м заменен высоко проводящим с удельным сопротивлением, меньшим в 50 раз. Легко убедиться, что изоляционное расстояние в 5 м, предписанное по стандарту ОАО «Транснефть», мало препятствует проникновению тока молнии к объекту через грунта, особенно, если его верхний слой заменен или химически обработан. Даже при расстоянии в 15 м, нормированном стандартом ОАО «Газпром», ток в заземлителе объекта превышает 50%.

Рисунок 14. Доля тока молнии, проникшая в заземлитель объекта через проводящую связь с заземлителем молниеотвода в зависимости от расстояния между ними

Здесь нужно еще раз подчеркнуть, что любая обработка верхнего слоя грунта, снижающая сопротивление заземления, не только не уменьшает кондуктивную связь между молниеотводом и объектом, но заметно осиливает ее, повышая тем самым долю тока молнии, ответвившуюся в объект.

Самое время еще раз поставить вопрос о цели снижения сопротивления заземления. Остается два незатронутых аспекта проблемы - формирование искровых каналов и напряжение шага. Первый вопрос будет рассмотрен ниже в специальном разделе. Что же касается напряжения шага, то оно безусловно зависит от конструкции заземлителя молниеотвода и от его сопротивления заземления. Расчетные кривые на рис. 15 демонстрируют динамику снижения напряжения шага по мере удаления от типового заземлителя молниеотвода, предписанного Инструкцией РД 34.21.122-87 (см. пояснения к рис. 14).

2.3. Как проектировать

В разделе снова ставится задача об удовлетворении требований нормативных документов без неоправданных материальных затрат. Это тем более важно, что на качество внешней молниезащиты величина сопротивления заземления молниеотвода мало влияет. Во всяком случае, с ней не связаны непосредственно те опасные воздействия молнии, которые могут привести к катастрофической ситуации на резервуарном парке или каком-либо другом объекте переработки углеводородного топлива. Главное, очень хотелось бы избежать дорогостоящей химической обработки или замены больших объемов грунта и без них выполнить требования отраслевых нормативов по молниезащите.

Создавать заземлитель для каждого молниеотвода в отдельности целесообразно только в грунтах с низким удельным сопротивлением, где даже типовая конструкция из РД 34.21.122-87 оказывается вполне дееспособной. Например, при рекомендованной там длине горизонтальной шины в 12 м и 3-х вертикальных стержнях по 5 м сопротивление заземления в грунте удельным сопротивлением ρ равно

Это значит, что при ρ ≤ 300 Ом м расчетное значение не превысит 20 Ом. При более высоком удельном сопротивлении грунта неплохой результат обеспечивают 4 взаимно перпендикулярных луча. При длине по 20 м каждый сопротивление заземления оказывается равным

а установка 5-метровых вертикальных стержней на концах каждого из лучей снижает эту величину до

Проблема становится серьезной, когда удельное сопротивление грунта заметно превышает 1000 Ом*м. Здесь привлекает внимание организация единого контура заземления для всех отдельно стоящих молниеотводов. Стоит еще раз обратиться к рис. 4, где демонстрируется защита резервуарного парка 3-мя тросами длиной по 100 м, при расстоянии между параллельными тросами 50 м. Объединение их опор горизонтальными шинами образует контур заземления с двумя ячейками 100х50 м. Его сопротивление заземления при укладке шин на глубину 0,7 м обеспечивает

что позволяет решить проблему в грунте удельным сопротивлением до 3000 Ом*м, даже руководствуясь предписанием стандарта ОАО "Газпром". Уместно отметить, что дополнительное устройство локального заземлителя у каждого из молниеотводов почти не влияет на сопротивление заземления образованного контура в целом. Так, использование в качестве локального заземлителя каждого молниеотвода стойки его фундамента с металлической арматурой длиной 5 м и эквивалентным радиусом 0,2 м (R gr ≈ 0.1ρ [Ом]) в системе из 6 стоек снизило суммарное сопротивление контура заземления всего на 6%. Причина столь слабого влияния заключена в эффективной экранировке стержней протяженными горизонтальными шинами. Удлиняя горизонтальные шины, связывающие опоры молниеотводов, можно добиться сопротивления заземления порядка 20 Ом и в грунте с удельным сопротивлением 5000 Ом.

Читатель вправе прервать описание столь радужных перспектив, напомнив, что длинная шина медленно вступает в процесс растекания импульсного тока из-за своей индуктивности. Возразить против этого нечего. Но по крайней мере два обстоятельства все-таки действуют в пользу предложенного решения. Во-первых, ни один из упоминавшихся нормативов не требует каких-либо конкретных значений импульсного сопротивления заземления, а во вторых, в высокоомных грунтах скорость проникновения импульсного тока в заземляющую шину достаточно высока и потому текущее значение сопротивления заземления R gr (t) = U gr (t)/i M (t) быстро принимает установившееся значение, контролируемое нормативными требованиями. Как пример на рис. 16 показана расчетная динамика изменения сопротивления заземления шины длиной 200 м между опорами молниеотводов. Принято, что удельное сопротивление грунта равно 5000 Ом*м, а его относительная диэлектрическая проницаемость равна 5 (учет этого параметра важен, когда емкостная утечка в грунт сопоставима с кондуктивной).

Э. М. Базелян , д.т.н., профессор
Энергетический институт имени Г.М. Кржижановского, г. Москва

Полезные материалы :

Необходимость электрически соединять контур заземления молниезащиты, установленной непосредственно на здании, с контуром заземления для электрических установок, прописана в действующих нормативных документах (ПУЭ). Цитируем дословно: «Заземляющие устройства защитного заземления электроустановок зданий и сооружений и молниезащиты 2-й и 3-й категорий этих зданий и сооружений, как правило, должны быть общими». Как раз 2-я и 3-я категории являются наиболее распространенными, в 1-ю категорию входят взрывоопасные объекты к молниезащите которых предъявляются повышенные требования. Тем не менее, наличие оборота «как правило» подразумевает возможность наличия исключений.

Современные офисные, а теперь и жилые здания содержат множество инженерных систем жизнеобеспечения. Сложно представить отсутствие систем вентиляции, пожаротушения, видеонаблюдения, контроля доступа и т.д. Естественно, у проектировщиков таких систем есть опасения, что в результате действия молнии “нежная” электроника выйдет из строя. При этом некоторые сомнения у специалистов-практиков вызывает целесообразность соединения контуров двух видов заземлений и возникает желание «в рамках закона» запроектировать электрически не связанные заземления. Возможен ли такой подход и повысит ли он на самом деле безопасность эксплуатации электронных устройств?

Зачем нужно объединение контуров заземления?

При попадании молнии в молниеотвод в последнем возникает короткий электрический импульс напряжением до сотен киловольт. При столь высоком напряжении может произойти пробой промежутка между молниеотводом и металлическими конструкциями дома, в том числе и электрическими кабелями. Последствием этого станет возникновение неконтролируемых токов, которые могут привести к пожару, выходу электроники из строя и даже разрушению элементов инфраструктуры (например, пластиковых водопроводных труб). Опытные электрики говорят: «Дайте молнии дорогу, иначе она найдет ее сама». Вот почему электрическое объединение заземлений обязательно.

По этой же причине ПУЭ рекомендует электрически объединять не только заземления, находящиеся в одном здании, но и заземления территориально сближенных объектов. Под данным понятием подразумеваются объекты, заземления которых настолько сближены, что между ними нет зоны нулевого потенциала. Объединение нескольких заземлений в одно осуществляется, согласно нормам ПУЭ-7, п. 1.7.55, путем соединения заземлителей электрическими проводниками в количестве не менее двух штук. Причем проводники могут быть как естественными (например, металлические элементы конструкции здания), так и искусственными (провода, жесткие шины и т.п.).

Одно общее или отдельные заземляющие устройства?

К заземлителям для электрических установок и молниезащиты предъявляются разные требования, и это обстоятельство может стать источником некоторых проблем. Заземлитель для молниезащиты должен отвести в землю за короткое время большой электрический заряд. При этом согласно «Инструкции по молниезащите РД 34.21.122-87» нормируется конструктив заземлителя. Для молниеотвода, согласно этой инструкции, требуется не менее двух вертикальных, или лучевых горизонтальных, заземлителей, за исключением 1 категории молниезащиты, когда таких штырей нужно три. Вот почему наиболее распространенный вариант заземления для молниеотвода — два или три штыря длиной около 3 м каждый, соединенных металлической полосой, заглубленной не менее чем на 50 см в землю. При использовании деталей производства ZANDZ такой заземлитель получается долговечным и простым в монтаже.

Совсем другое дело — заземление для электрических установок. В обычном случае оно не должно превышать 30 Ом, а для ряда применений, описанных в ведомственных инструкциях, например, для аппаратуры сотовой связи — 4 Ом или еще меньше. Такие заземлители представляют собой штыри длиной более 10 м или даже металлические пластины, помещенные на большую глубину (до 40 м), где даже зимой нет промерзания грунта. Создать такой молниеотвод с заглублением двух и более элементов на десятки метров слишком затратно.

Если параметры грунта и предъявляемые к сопротивлению требования позволяют выполнить единое заземление в здании для молниеотвода и заземления электрических установок, нет никаких препятствий его сделать. В остальных случаях делают различные контуры заземления для молниеотвода и электрических установок, но обязательно соединяют их электрически, желательно, в земле. Исключением является использование некоторого специального оборудования особенно чувствительного к помехам. Например, звукозаписывающая аппаратура. Такое оборудование требует отдельного, так называемого, технологического заземляющего устройства, что прямым образом указывается в инструкциях. В таком случае выполняется отдельное заземляющее устройство, которое соединяется с системой уравнивания потенциалов здания через главную заземляющую шину. А, если такое соединение не предусматривается руководством по эксплуатации аппаратуры, то применяются специальные меры по исключению одновременного прикосновения людей к указанной аппаратуре и металлическим частям здания.

Электрическое соединение заземлений

Схема с несколькими заземлениями, соединенными электрически, обеспечивает выполнение разных, подчас противоречивых, требований к заземляющим устройствам. Согласно ПУЭ, заземления, как и многие другие металлические элементы здания, а также аппаратуры, установленной в нем, должны быть соединены системой уравнивания потенциалов. Под уравниванием потенциалов подразумевается электрическое соединение проводящих частей для достижения равенства потенциалов. Различают основную и дополнительную системы уравнивания потенциалов. Заземления подключаются к основной системе уравнивания потенциалов, то есть соединяются между собой через главную заземляющую шину. Провода, соединяющие заземления с этой шиной, должны подключаться по радиальному принципу, то есть одно ответвление от указанной шины идет только к одному заземлению.

Для того, чтобы обеспечивалась безопасная работа всей системы, очень важно использовать максимально надежное соединение между заземлениями и главной заземляющей шиной, которое не разрушится под действием молнии. Для этого нужно соблюдать нормы ПУЭ и ГОСТ Р 50571.5.54-2013 “Электроустановки низковольтные. Часть 5-54. Заземляющие устройства, защитные проводники и защитные проводники уравнивания потенциалов” относительно сечения проводов системы уравнивания потенциалов и их соединения между собой.

Тем не менее, даже очень качественная система уравнивания потенциалов не может гарантировать отсутствие всплесков напряжения в сети при ударе молнии в здание. Поэтому, наряду с грамотно спроектированными контурами заземлений, от проблем спасут устройства защиты от импульсных помех (УЗИП). Такая защита является многоступенчатой и носит селективный характер. То есть на объект должен быть установлен комплект УЗИП, подборка элементов которого — непростая задача даже для опытного специалиста. К счастью, выпускаются готовые комплекты УЗИП для типовых случаев применения.

Выводы

Рекомендация ПУЭ об электрическом соединении всех контуров заземлений в здании является обоснованной и при правильной реализации не только не создает опасность для сложной электронной аппаратуры, а, наоборот, защищает ее. В том случае, если аппаратура чувствительна к помехам от молний и требует собственного отдельного заземлителя, можно установить отдельное технологическое заземление в соответствии с прилагаемому к аппаратуре руководству. Система уравнивания потенциалов, объединяющая разрозненные контура заземлений, должна обеспечить надежное электрическое соединение и во многом определяет общий уровень электробезопасности на объекте, поэтому ей должно быть уделено особое внимание.

См. также: