Устройство молниезащиты зданий и сооружений

Молния — это непредсказуемое природное явление, обладающее разрушительной силой и мощью. Последствия от ее удара, особенно прямого попадания, могут быть катастрофические, и это не только полностью уничтоженная электроника, разрушенное и сгоревшее здание (пожар это самый частый спутник попадания молнии) но и самое страшное, вред причиненный здоровью людей и животных. Природа молнии тесно связана с электричеством, но человечество до сих пор не смогло досконально изучить его и подчинить своей воле, поэтому грозы и молнии остаются опасным, неконтролируемым и потенциально разрушительным явлением, застраховаться от которого невозможно. Конечно, есть объекты с большей или меньшей степенью подверженные риску попадания молнии, есть факторы усугубляющие риски, но сказать точно «В этот объект молния не попадет ни когда», не сможет ни кто (разве что сам Господь Бог, но это уже выходит за рамки человеческого понимания и тем более зоны контроля), а тем более ни кто не сможет это предотвратить. Однако, известные факты о природе и свойствах электричества, законы физики и достижения науки, предоставляют возможность свести к минимуму риски от попадания молнии при помощи системы молниезащиты.

Молниезащита (так же часто употребляется термин грозозащита) — это инженерная система, включающая в себя комплекс специализированного оборудования и материалов, и предназначенная для для обеспечения безопасности объекта (здания, сооружения), жизни и здоровья находящихся там людей и животных, материальных и иных ценностей, от непосредственного воздействия и последствий попадания в объект разряда молнии. Структура и состав системы молниезащиты определяется на основании индивидуальных параметров объекта и специализированных расчетных формул.

На земном шаре ежегодно происходит до 16 миллионов гроз, то есть около 44 тысяч за день. Опасность для зданий (сооружений) в результате прямого удара молнии может привести к:

повреждению здания (сооружения) и его частей,
отказу находящихся внутри электрических и электронных частей,
гибели и травмированию живых существ, находящихся непосредственно в здании (сооружении) или вблизи него.

Существует статистика, согласно которой, молния может попасть в дом один раз в 50 лет, то есть конкретное здание может стать объектом попадания разряда молнии один раз в течении 50 лет. Ни кто не знает в какой конкретно интервал времени это может произойти и каким будет ущерб, многое зависит от конкретного объекта. Обычно минимальными последствиями бывает перегоревшая электроника (телевизор, холодильник, компьютер и др.), при чем по гарантии это не ремонтируют, так как считается форс-мажором, но это материальный ущерб, намного хуже, когда вред причиняется животным или человеку, находящимся на территории объекта,к сожалению, такие случаи встречаются. В своей практике мы сталкивались с последствиями попадания молнии, выгоревшая электроника, ущерб на многие сотни тысяч рублей (это в среднем для частного дома), и на миллионы рублей на промышленном объекте, при чем многое оборудование приходится менять полностью и востановлению оно не подлежит, а если и ремонтируется, то за полностью за счет Заказчика, поэтому бывает выгоднее поставить новое. Дело в том, что статистика с вероятностью в 50 лет предоставляет иллюзию безопасности и отсрочки, «мое имущество в безопасности, у меня есть еще много времени в запасе, сделаю позже», но это стихия и от ее воздействия ни кто не застрахован, а стоимость системы молниезащиты во много раз меньше потенциального ущерба.

По принципу действия и составу оборудования система молниезащиты зданий и сооружений разделяется на внешнюю и внутреннюю:

Внешняя система молниезащиты, обеспечивает перехват и нейтрализацию молнии, путем ее отвода и разрядки в землю, таким образом объект (здание, сооружение) защищается от повреждения и пожара. Правильно рассчитанная, спроектированная и установленная система молниезащиты, в момент прямого удара молнии в объект, принимает на себя ток молнии и отводит его по токоотводам в систему заземления, где энергия разряда должна безопасно рассеяться. Прохождение тока молнии должно произойти без ущерба для защищаемого объекта и быть безопасным для людей, находящихся как внутри, так и снаружи этого объекта.

Во время грозы на Земле появляются большие индуцированные заряды, а у поверхности Земли возникает сильное электрическое поле. Напряжённость поля особенно велика возле острых проводников, и поэтому на конце молниеотвода зажигается коронный разряд. Вследствие этого индуцированные заряды не могут накапливаться на здании и молнии не происходит. В тех же случаях, когда молния всё же возникает (такие случаи очень редки), она ударяет в молниеотвод и заряды уходят в Землю, не причиняя разрушений. Иначе говоря, электрический ток всегда уходит по цепи наименьшего сопротивления, а грозовая молния представляет собой колоссальный разряд электроэнергии, поэтому подчиняется данному правилу. На подлёте молнии к зданию (сооружению), правильно сделанный молниеотвод будет представлять собой цепь с наименьшим сопротивлением, по которой разрушительный разряд уйдёт в землю без контакта непосредственно с объектом.

Принципиально внешняя система грозозащиты состоит из трех взаимосвязанных частей:

Молниеотвод (молниеприёмник, громоотвод) — металлическое (нержавеющая либо оцинкованная сталь, алюминий, медь) устройство, перехватывающее разряд молнии, устанавливается на зданиях и сооружениях, в декоративные элементы (флюгеры, колонны, шпили и др.), может иметь различную молниеприемную конструкцию:

стержень — металлический штырь, длиной 0,2-1,5 м, с площадью сечения от 100 мм2 (если он имеет круглую форму, то достаточно Ø 12 мм), устанавливается вертикально на самом высоком месте объекта (конек крыши, труба вентиляции, мачта телевизионной антенны и др.), при использовании полой трубы, обращённый вверх конец должен быть прочно заварен. Данный способ хорошо подходит для всех видов металлической кровли;
натянутый трос — металлический трос, натянутый вдоль конька крыши на двух опорах, в случае, если опоры металлические, они должны быть отделяются от троса при помощи специальных изоляторов. Подобный способ лучше использовать для шиферных и деревянных крыш;
сеть — металлический проводник, закреплённый по коньку крыши, с отходящими от него, заземлёнными токоотводами, предпочтителен для черепичных крыш.

Заземляющий проводник или токоотвод (спуски) — часть системы, являющаяся проводником и служащая для отвода заряда от молниеприёмника к заземлителю, прокладывается по стене здания (сооружения). Часто используется металлическая проволока Ø 6 мм (диаметр и материал могут изменяться в зависимости от индивидуальных параметров объекта), привариваемая сваркой к молниеприёмнику и контуру заземления;

Заземлитель — проводящая часть или совокупность соединенных между собой проводящих частей, находящихся в электрическом контакте с землей (грунтом) непосредственно или через проводящую среду.

Элементы молниезащиты соединяются между собой и закрепляются на несущей конструкции. Вероятность поражения наземного объекта молнией растёт по мере увеличения его высоты, поэтому молниеприёмник располагается как можно выше на защищаемом объекте, либо как отдельное сооружение рядом с объектом. Радиус защитного действия молниеотвода определяется его высотой и приближенно рассчитывается по формуле: R=1,732 x h, где h — высота от самой высокой точки дома до пика молниеотвода.

Внутренняя система молниезащиты представляет собой совокупность устройств защиты от импульсных перенапряжений (УЗИП), предназначенных для защиты электрического и электронного оборудования от перенапряжений в сети, вызванных резистивными и индуктивными связями, возникающих под воздействием тока молнии. Выделяют перенапряжения, вызванные ударами молнии:

прямые — при попадания молнии в здание (сооружение) или в подведенные к зданию (сооружению) линии коммуникаций (линии электропередачи, коммуникационные линии);
непрямые — при ударах молнии вблизи здания (сооружения) или линий коммуникаций.

В зависимости от типа попадания молнии, различаются параметры перенапряжений и устройств защиты (УЗИП):

Тип 1 (искровые разрядники или варисторы, со способностью отвода в земли тока около 100 кА) — пропускает через себя всю энергию типичного удара молнии, не разрушаясь, но сохраняется достаточно большой бросок напряжения (единицы киловольт), устанавливаются на входе источника питания в здание, с целью исключения импульсов сильных токов.
Тип 2 (ограничивают амплитуды напряжений до величины ниже 1,5 кВ) — варисторные ограничители, ограничивающие электрические импульсы до уровня, не разрушающего электрические устройства. Не способны самостоятельно, без предшествующего типа 1, выдержать без разрушения удар молнии, однако же его устойчивость гарантируется в случае совместного применения с типом 1. Бросок напряжения за типом 2 обычно около 1.4-1.7 кВ.
Тип 3 — ограничители специального исполнения, совместимые с линиями передачи данных. Предназначены для предохранения телефонных аппаратов, управляющих автоматов, телевизоров, камер. Для обеспечения устойчивости к разрушению требует применения типов 1 и 2 перед собой, и устанавливается непосредственно рядом с потребителем.

Длительные перенапряжения (например, от повышения до 380В при «отгорании нуля»), могут привести к выходу УЗИП из строя. В случае сквозного прогорания УЗИП от фазы до PE возможно выделение на нем огромного количества тепла и пожар в щитке, поэтому он

должен обязательно устанавливаться с защитой — плавкими вставками или же автоматическими выключателями. В случае, когда вводной «автомат» имеет номинал <= 25A, возможно подключение УЗИП за ним, в этом случае вводной автомат выполняет дополнительные функции защиты УЗИП. Схемы молниезащиты выполняются либо с приоритетом безопасности, либо с приоритетом бесперебойности.

В первом случае недопустимо разрушение УЗИП и иных устройств, а также ситуация, когда временно отключается молниезащита, но допустимо срабатывание автоматики с полным отключением потребителей. Во втором случае допустимо временное отключение молниезащиты, но недопустим перебой в снабжении потребителей. При одновременной установке типа 1 и типа 2 расстояние между ними по кабелю должно быть не менее 10 м, расстояние от типа 2 до типа 3 и потребителей — также не менее 10 м. Это создает индуктивность, нужную для того, чтобы автомат более высокой ступени срабатывал раньше. Возможно также и использование УЗИП типов 1+2, совмещающих в одном корпусе оба устройства (защищается от прогорания так же, как тип 1).

Таким образом:

Внешняя система молниезащиты предотвращает попадание молнии непосредственно в объект, перехватывая и нейтрализуя ее заранее, тем самым обеспечивает безопасность и целостность объекта, всех его систем и находящихся внутри людей, животных и ценностей.
Внутренняя система обеспечивает точечную защиту определенных компонентов систем дома (электрического и электронного оборудования).

Выбор системы молниезащиты:

К выбору системы молниезащиты нужно подойти очень ответственно и комплексно, так как это система, обеспечивающая не только сохранность имущества, но и жизнь и здоровье людей и животных, находящихся на объекте и прилегающей территории:

Необходимо оценить общее состояние объекта, его территориальное месторасположение (город, поле, лес и др.), рельеф местности, прилегающую инфраструктуру (высотные здания, линии электропередач, путепроводы, строящиеся объекты, железнодорожные пути и др.), наличие рядом высоких деревьев, водоемов и др. Все эти факторы имеют немаловажное значение, так как молния обычно бьёт в самую высокую точку здания, выполненную из материалов с максимальной электропроводимостью, или растущее рядом с дерево (которое зачастую бывает выше самой верхней точки строения). Деревья, антенны, столбы, приняв на себя удар молнии, создают экранирующий эффект, в результате чего поражению электричеством могут подвергнуться рядом стоящие дома, автомобили, оказавшиеся в зоне поражения люди и т. д.
Еще одним ключевым аспектом при устройстве контура молниезащиты является тип грунта под объектом. Разные виды грунтов имеют разную токопроводимость и, соответственно, различное сопротивление, которое должно учитываться при выборе сечения металлической полосы молниезащиты и величины заглубления контура.
Особенно внимательно к вопросу молниезащиты объекта необходимо отнестись владельцам строений, находящихся в непосредственной близости от водоёмов и мест, где на поверхность земли выходят ключевые источники. Риск поражения разрядом молнии в таких местах максимален, особенно если по климатическим данным число грозовых периодов превышает 40 часов в год.

Кроме физических факторов, приведенных выше, при выборе системы молниезащиты следует исходить из ее целесообразности:

Стоимость внешней системы молниезащиты будет меняться в зависимости от площади объекта (преимущественно кровли) и используемых материалов, при этом количество проводки, электронных систем и оборудования, а так же его мощность на стоимости системы не отражается. Стоимость внутренней системы будет напрямую зависеть от количества электронных систем, оборудования и его мощности.
Внутренняя система рассчитана на защиту именно электронного оборудования, в то время как внешняя система защищает весь объект в комплексе. Конечно, для дачного дома с минимальным количеством электронных систем, расположенного в безопасном (с точки зрения риска попадания молнии ) месте, целесообразность установки внешней системы грозозащиты минимальна. Совсем другое дело, когда на объекте присутствует большое количество электронных систем (системы контроля доступа, компьютеры, телевизоры, системы умного дома, охранной и пожарной сигнализации, отопительной и вентиляционной систем, мобильные телефоны, планшеты, музыкальная, кухонная и иная техника), в том числе обеспечивающих функционирование жизненно важных систем самого объекта и иных объектов (например, электроподстанции, очистные сооружения, котельные, больницы, магазины, транспортные объекты и др.). В таких случаях внутренняя система молниезащиты должна играть страховочную (запасную) роль, а основным рубежом защиты служит внешняя система защиты.
Оборудование внутренней системы молниезащиты стоит достаточно дорого, и при обеспечении безопасности объекта с большим количеством электронных систем, его стоимость будет сопоставима или даже превысит (возможно и в разы), стоимость внешней системы.
И самое главное — внутренняя система не предотвращает попадание молнии в объект, а только защищает от гибели электронное оборудование, кроме того, при недостаточном уровне защиты или ошибках в расчетах и при монтаже, может сама послужить причиной пожара, в то время как удар молнии может повредить объект, травмировать (с разной степенью тяжести) находящихся в нем людей и животных. Комплексную систему защиты объекта может обеспечить только внешняя система молниезащиты (грозозащиты).

Исходя из свое практики мы рекомендуем применять комплексные системы молниезащиты, сочетающие в себе и внешнюю и внутреннюю. Обе системы дополняют друг друга, страхуют и минимизируют риски, особенно на сложных объектах, обеспечивающих безопасность и жизнедеятельность людей (объекты инфраструктуры, как больницы, аэропорты, железнодорожные вокзалы, котельные, тепловые станции, образовательные учреждения,магазины и др.), при этом необходимо соблюсти правильный баланс, чтобы система была максимально функциональной, экономичной и обеспечивала наилучший уровень защиты.

Нормативные документы:

Система молниезащиты относится к системам обеспечивающим безопасность объекта и требует точного расчета, подбора оборудования и монтажа, для качественного выполнения своих функций. Ошибки в расчетах и некачественный монтаж могут пагубно сказаться на действии системы в целом. Требования к системе на территории Российской Федерации регламентируются нормативными документами, которые необходимо соблюдать:

«Инструкция по молниезащите зданий и сооружений» РД 34.21.122-87 от 30 июля 1987 года
«Инструкция по устройству молниезащиты зданий, сооружений и промышленных коммуникаций» CO 153—343.21.122-2003 от 30 июня 2003 года.

В соответствии с положением Федерального закона от 27 декабря 2002 года № 184-ФЗ «О техническом регулировании» ст. 4, органы исполнительной власти вправе утверждать документы и акты только рекомендательного характера. К такому документу и относится «Инструкция по устройству молниезащиты зданий, сооружений и промышленных коммуникаций» CO 153—343.21.122-2003. Приказ Минэнерго России от 30.06.03№ 280 не отменяет действие предыдущего издания «Инструкция по молниезащите зданий и сооружений» от 30 июля 1987 года. Таким образом, проектные организации вправе использовать при определении исходных данных и при разработке защитных мероприятий положение любой из упомянутых инструкций или их комбинацию.

В декабре 2011 Федеральное агентство по техническому регулированию и метрологии выпустило ГОСТ Р МЭК 62305-1-2010 «Менеджмент риска. Защита от молнии. Часть 1. Общие принципы» и ГОСТ Р МЭК 62305-2-2010 «Менеджмент риска. Защита от молнии. Часть 2. Оценка риска». Данные документы представляют собой аутентичный текст стандарта МЭК 62305, состоящего из четырёх частей, и призваны прояснить ситуацию с системами молниезащиты на территории Российской Федерации.

Типовая структура и состав оборудования системы молниезащиты:

Со времени изобретения первого молниеотвода Бенджамином Франклином в 1752 году (хотя есть свидетельства, что подобные системы существовали и ранее) многое изменилось. Появились новые инженерные конструкции, материалы, архитектурные решения, изменилась инфраструктура, появилось большое количество электронных систем, нуждающихся в защите, продвинулись научные знания человечества о природе электричества. Основные принципы остались неизменными, но произошедшие изменения потребовали усовершенствования структуры, материалов, конструкции системы. В настоящее время существует большое разнообразие материалов и компонентов, применяемых в системах молниезащиты, их количество, состав и характеристики зависят от индивидуальных параметров объекта. Зачастую, особенно на крупных и сложных объектах, правильно произвести все замеры, расчеты и подобрать оборудование могут только профессионалы. Конечно, если Заказчик обладает знаниями и возможностями он может сделать все работы или определенные этапы сам, но такие случаи стали редкими, так как данные работы стали требовать высокого профессионализма Исполнителя, так как значительно возросли риски и стоимость имущества (не говоря уже о здоровье людей), нуждающегося в защите.

Оборудование и материалы для каждого объекта подбирается индивидуально исходя из действующих факторов. Ниже представлена ориентировочная смета на оборудование и монтаж пассивной системы молниезащиты для частного дома (Типовое решение проекта «Котедж» — дом 2 этажа + цокольный этаж, площадь кровли 100 м.кв., количество оборудования и материалов минимально).

№п/п	Наименование оборудования, материалов, работ	Ед. из-я	Кол-во	Цена за ед.	Сумма, руб.
I.	ОБОРУДОВАНИЕ СИСТЕМЫ ГРОЗОЗАЩИТЫ, в том числе:	74 175
1.1.	Молниеприемник пассивный медный	шт.	5	1 825	9 125
1.2.	Токоотвод медный	м.п.	100	230	23 000
1.3.	Крепление для токоотвода к водостоку Cu	шт.	10	430	4 300
1.4.	Держатель медный для токоотвода 8-10 мм.	шт.	60	350	21 000
1.5.	Зажим клемный для токоотвода Cu	шт.	30	175	5 250
1.6.	Контрольный соединитель Cu	шт.	5	310	1 550
1.7.	Комплект оцинкованного заземления №3 (на 1 дом)	ед.	1	9 950	9 950
II.	КАБЕЛЬНЫЕ ТРАССЫ И МАТЕРИАЛЫ СИСТЕМЫ, в том числе:	7 500
2.1.	Прочие расходные материалы (разъемы, саморезы, дюбеля, изоляционная лента, крепления и т.п.)	ед.	1	7 500	7 500
III.	ИТОГО СТОИМОСТЬ ОБОРУДОВАНИЯ И МАТЕРИАЛОВ (п.I+п.II)	81 675
IV.	*ТРАНСПОРТНО-ЗАГОТОВИТЕЛЬНЫЕ РАСХОДЫ – 5%п.III**	4 084
V.	РАБОТЫ ПО МОНТАЖУ ОБОРУДОВАНИЯ СИСТЕМЫ, в том числе монтаж:	37 250
5.1.	Молниеприемника пассивного медного	ед.	5	950	4 750
5.2.	Токоотвода медного	ед.	100	120	12 000
5.3.	Крепления для токоотвода к водостоку Cu	ед.	10	250	2 500
5.4.	Держателя медного для токоотвода 8-10 мм.	ед.	60	150	9 000
5.5.	Зажима клемного для токоотвода Cu	ед.	30	100	3 000
5.6.	Контрольного соединителя Cu	ед.	5	200	1 000
5.7.	Комплекта оцинкованного заземления №3 (на 1 дом)	ед.	1	5 000	5 000
VI.	ВСЕГО ПО СМЕТЕ (п.III+п.IV+п.V)	123 009

Степень надежности, функциональности и долговечности системы внешней молниезащиты напрямую зависит от точности расчета, качества, структуры и количества подобранных материалов и оборудования, а так же правильного монтажа системы. Специалисты нашей компании обладают необходимыми специализированными знаниями и опытом работы, поэтому они быстро и максимально качественно решат поставленные задачи, выполнят все необходимые замеры и расчеты, подберут оборудование и материалы, произведут монтаж системы. Наши работы всегда отличаются высоким качеством и надежностью, так как мы в обязательном порядке предоставляем Заказчику гарантию на все выполненные работы, ответственно относимся к собственной репутации и предъявляем высокие требования к своим специалистам. Качественная, функциональная система и отсутствие сбоев в ее работе, это спокойствие Заказчика и, как следствие, залог нашей репутации, развития и минимальное количество выездов для устранения неполадок.