Молния - это искровой разряд статического электричества, аккумулированного в грозовых облаках. В отличие от разрядов, образующихся на производстве и в быту, электрические заряды, накапливаемые в облаках, несоизмеримо больше. Поэтому энергия искрового разряда - молния и возникающих при этом токов очень велика и представляет большую опасность для человека, животных, строений. Молния сопровождается звуковым импульсом - громом. Сочетание молнии и грома называют грозой.

Гроза - это исключительно красивое природное явление. Как правило, после грозы улучшается погода, воздух становится прозрачен, свеж и чист, насыщен ионами, образующимися при разрядах молнии.

Несмотря на это нужно помнить, что гроза в определенных условиях может представлять большую опасность для человека. Каждый человек должен знать природу грозового явления, правила поведения во время грозы и методы защиты от молнии.

Гроза - сложный атмосферный процесс и ее возникновение обусловлено образованием кучево-дождевых облаков. Сильная облачность является следствием значительной неустойчивости атмосферы. Для грозы характерны сильный ветер, часто интенсивный дождь (снег), иногда с градом. Перед грозой (за час, два) атмосферное давление начинает быстро падать, вплоть до внезапного усиления ветра, а затем начинает повышаться.

Грозы можно разделить на местные, фронтальные, ночные, в горах.

Наиболее часто человек сталкивается с местными, или тепловыми грозами. Водяной пар в восходящем потоке теплого воздуха на высоте конденсируется, при этом выделяется много тепла, и восходящие потоки воздуха нагреваются. По сравнению с окружающим восходящий воздух теплее, он увеличивается в объеме, пока не превратится в грозовое облако. В больших по размеру грозовых облаках присутствуют кристаллики льда и капельки воды. В результате их дробления и трения между собой и о воздух образуются положительные и отрицательные заряды, под действием которых возникает сильное электростатическое по"ле (напряженность электростатического поля может достигать 100 000 В/м).

И разница потенциалов между отдельными частями облака, облаками или облаком и землей достигает громадных величин.

При достижении критической электрической напряженности в воздухе возникает лавинообразная ионизация воздуха - искровой разряд молнии.

Фронтальная гроза возникает, когда массы холодного воздуха проникают в район, где преобладает теплая погода. Холодный воздух вытесняет теплый, при этом последний поднимается на высоту 5-7 км. Теплые слои воздуха вторгаются внутрь вихрей различной направленности, образуется шквал, сильное трение между слоями воздуха, что способствует накоплению электрических зарядов. Длина фронтальной грозы может достигать 100 км. В отличие от местных гроз после фронтальных обычно холодает.

Ночная гроза связана с охлаждением земли ночью и образованием вихревых токов восходящего воздуха.

Гроза в горах объясняется разницей в солнечной радиации, которой подвергаются южные и северные склоны гор. Ночные и горные грозы несильные и кратковременные.

Грозовая активность в различных районах нашей планеты различна. Мировые очаги гроз: остров Ява - 220 грозовых дней в году, Экваториальная Африка - 150, Южная Мексика - 142, Панама - 132, Центральная Бразилия - 106. Россия: Мурманск - 5, Архангельск - 10, Санкт-Петербург - 15, Москва - 20. Как правило, чем южнее (для северного полушария Земли) и севернее (для южного полушария Земли), тем выше грозовая активность. Грозы в Арктике и Антарктике очень редки. На Земле в год происходит 16 миллионов гроз. На каждый м поверхности Земли приходится 2-3 удара молнии в год. В землю чаще всего ударяют молнии из отрицательно заряженных облаков.

По виду молнии различаются на линейные, жемчужные и шаровые.

Жемчужные и шаровые молнии довольно редкое явление.

Распространенная линейная молния, с которой многократно встречается любой человек, имеет вид разветвляющейся линии. Величина силы тока в канале линейной молнии составляет в среднем 60 - 170 кА, зарегистрирована молния с током 290 кА. Средняя молния имеет энергию 250 кВт в час (900 Мдж).

Разряд развивается за несколько тысячных долей секунды; при столь высоких токах воздух в зоне канала молнии практически мгновенно разогревается до температуры 30000 - 33000°С. В результате резко повышается давление, воздух расширяется и возникает ударная волна, сопровождающаяся звуковым импульсом - громом.

Жемчужная молния - очень редкое и красивое явление. Появляется сразу после линейной молнии и исчезает постепенно. Чаще всего разряд жемчужной молнии следует по пути линейной. Молния имеет вид 12 м друг от друга и напоминающих жемчуг, нанизанный на нитку. Жемчужная молния может сопровождаться значительными звуковыми эффектами.

Шаровая молния также довольно редка. На тысячи обычных линейных молний приходится 2 -3 шаровых. Шаровая молния, как правило, появляется чаще к концу грозы, реже - после грозы. Может иметь форму шара, эллипсоида, груши, диска и даже цепи шаров. Цвет молнии - красный, желтый, оранжево-красный.

Иногда молния ослепительно белая с очень резкими очертаниями. Цвет определяется содержанием различных веществ в воздухе. Форма и цвет молнии могут меняться во время разряда. Измерить параметры шаровой молнии и смоделировать ее в лабораторных условиях не удалось. По всей видимости, многие наблюдаемые неопознанные летающие объекты (НЛО) по своей природе аналогичны или близки шаровой молнии.

Опасные факторы воздействия молнии

Линейная, молния

В связи с тем, что молния характеризуется большими величинами токов, напряжений и температур разряда, воздействие ее на человека, как правило, приводит к их смерти.

От удара молнии в мире в среднем ежегодно погибает около 3000 человек, причем известны случаи одновременного поражения нескольких человек.

Разряд молнии проходит по пути наименьшего электрического сопротивления:

Если расположить рядом две мачты - металлическую и более высокую деревянную, то молния, скорее всего, ударит в металлическую мачту, хотя она ниже, потому что электропроводность металла выше;

Молния также значительно чаще ударяет в глинистые и влажные участки, чем в сухие и песчаные, поскольку первые обладают большей электропроводностью;

В лесу молния действует тоже избирательно, попадая, прежде всего, в такие лиственные деревья как дуб, тополь, верба, ясень, так как в них содержится много крахмала. Хвойные деревья - ель, пихта, лиственница и такие лиственные деревья как липа, грецкий орех, бук содержат много масел, поэтому оказывают большое электрическое сопротивление, и в них молния ударяет реже.

Из 100 деревьев молнией поражается 27% тополей, 20% груш, 12% лип, 8% елей и только 0,5% кедровых.

кроме поражения людей и животных линейная молния довольно часто является причиной возникновения лесных пожаров, а также жилых и производственных зданий, особенно в сельской местности. В связи с этим необходимо принимать специальные защиты от поражения линейной молнией.

Шаровая молния

Если природа линейной молнии ясна, а, следовательно, и ее поведение предсказуемо, то природа шаровой молнии до сих пор не понятна. Опасность поражения человека шаровой молнией прежде всего связанна именно с отсутствием методов и правил защиты человека от нее.

В 1753 году русский физик Георг Вильгельм Рихман, коллега М.В. Ломоносова, был убит шаровой молнией во время грозы при исследовании искровых разрядов в атмосфере. Известны многие случаи гибели людей при встрече с шаровой молнией.

Драматический случай произошел с группой из пяти советских альпинистов 17 августа 1978 года на Кавказе на высоте около 4000 м, где они остановились в ясную, холодную ночь на ночлег. В палатку к альпинистам залетел светло-желтый шар величиной с теннисный мяч. Шар парил над спальными мешками, в которых находились альпинисты, и методично, по какому-то собственному плану, проник в спальные мешки. Каждый такой «визит» вызывал отчаянный нечеловеческий крик, люди чувствовали сильнейшую боль, как будто их жгли автогеном, и теряли сознание. Они не могли двигать ни руками, ни ногами. После того как шар «посетил» спальные мешки каждого альпиниста по несколько раз, он исчез. Все альпинисты получили множество тяжелых ран. Это были не ожоги, а именно рваные раны: мышцы были вырваны целыми кусками, до самых костей. Одного из альпинистов - Олега Коровина - шар убил. При этом шаровая молния не коснулась ни одного предмета в палатке, а только покалечила людей. Поведение шаровой молнии непредсказуемо. Она неожиданно появляется где угодно, в том числе в закрытых помещениях. Замечены случаи появления шаровой молнии из телефонной трубки, электрической бритвы, выключателя, розетки, репродуктора. Она достаточно часто проникает в здания через трубы, открытые окна и двери.

Размеры шаровой молнии бывают от нескольких сантиметров до нескольких метров. Обычно она легко парит или катится над землей, иногда подскакивает. Она реагирует на ветер, сквозняк, восходящие и нисходящие потоки воздуха. Однако отмечен случай, когда шаровая молния не реагировала на поток воздуха.

Шаровая молния может появиться, не нанеся вреда человеку или помещению, залететь в окно и исчезнуть из помещения через открытую дверь или дымовую трубу, пролетев мимо человека. Всякий контакт с ней приводит к тяжелым травмам, ожогам, а в большинстве случаев к смертельному исходу. Шаровая молния может взорваться. Возникающая при этом воздушная волна способна травмировать человека или привести к разрушениям в здании.

Известны случаи взрывов молний в печках, дымоходах, что приводило к разрушению последних. Собранные свидетельства о поведении шаровой молнии говорят, что в большинстве случаев взрывы не были опасны, тяжелые последствия возникали в 10 случаях из 100. Считается, что шаровая молния имеет температуру около 5000°С и может вызвать пожар.

Правила поведения во время грозы

Вспышку молнии мы видим практически мгновенно, та как свет распространяется со скоростью 300 000 км/с. Скорость распространения звука в воздухе равна примерно 344 м/с, то есть примерно за 3 секунды звук проходит 1 километр. Молния опасна тогда, когда за вспышкой тут же следует раскат грома, значит, грозовое облако находится над Вами, и опасность удара молнии наиболее вероятна.

Ваши действия перед грозой и во время нее должны быть следующими:

Выходить из дома, закрыть окна, двери и дымоходы, позаботиться, чтобы не было сквозняка, который может привлечь шаровую молнию. Во время грозы не топить печку, так как дым, выходящий из трубы имеет^ высокую электропроводность, и вероятность удара молнии в возвышающуюся над крышей трубу возрастает;

Радио и телевизоры отключать от сети, не пользоваться электроприборами и телефоном (особенно это важно для сельской местности);

Во время прогулки спрятаться в ближайшее здание. Особенно опасна гроза в поле. При поиске укрытия отдайте предпочтение металлической конструкции больших размеров или конструкции с металлической рамой, жилому дому или " другой постройке, защищенной молниеотводом;

Если нет возможности укрыться в здании, не надо прятаться в небольших сараях, под одинокими деревьями;

Не оставаться на возвышенностях и открытых незащищенных местах, вблизи металлических или сетчатых оград, крупных металлических объектов, влажных стен, заземления молниеотвода;

При отсутствии укрытия лечь на землю, при этом предпочтение следует отдать сухому песчаному грунту, удаленному от водоема;

Если гроза застала Вас в лесу, необходимо укрыться на участке с низкорослыми.деревьями. Нельзя укрываться под высокими деревьями, особенно соснами, дубами, тополями. Лучше находиться на расстоянии 30 м от отдельно высокого дерева. Обратите внимание - нет ли рядом деревьев, ранее пораженных грозой, расщепленных. Лучше держаться подальше от этого места. Обилие пораженных молнией деревьев свидетельствует, что грунт на данном участке имеет высокую электропроводность, и удар молнии в этот участок местности весьма вероятен;

Во время грозы нельзя находиться на воде и у воды - купаться, ловить рыбу. Необходимо подальше отойти от берега;

В горах отойдите от горных гребней, острых возвышающихся скал и вершин. При приближении в горах грозы нужно спуститься как можно ниже. Металлические предметы - альпинистские крючья, ледорубы, кастрюли - собрать в рюкзак и спустить на веревке на 20-30 м ниже по склону;

Во время грозы не занимайтесь спортом на открытом воздухе, не бегайте, так как считается, что пот и быстрое движение «притягивает» молнию;

Если вы застигнуты грозой на велосипеде или мотоцикле, прекратите движение, оставьте их и переждите грозу на расстоянии примерно 30 м от них;

Если гроза застала Вас в автомобиле, не нужно его покидать. Необходимо закрыть окна и опустить автомобильную антенну. Двигаться во время грозы на автомобиле не рекомендуется, поскольку гроза как правило сопровождается ливнем, ухудшающем видимость на дороге, а вспышка молнии может ослепить и вызвать испуг и, как следствие, аварии;

При встрече с шаровой молнией не проявляйте по отношению к ней никакой активности, по возможности сохраняйте спокойствие и не двигайтесь. Не нужно приближаться к ней, касаться ее чем-либо, т.к. может произойти взрыв. Не следует убегать от шаровой молнии, потому что это может повлечь ее за собой возникшим потоком воздуха.

Молниезащита

Эффективным средством защиты от молнии является молниеотводы.

Приоритет изобретения молниеотвода принадлежит американцу Бенджамину Франклину (1749 г.). Несколько позднее в 1758 г., независимо от него, молниеотвод изобрел М.В. Ломоносов.

Молниезашита путем установки молниеотводов основана на свойстве молнии поражать наиболее высокие и хорошо заземленные металлические сооружения.

Молниеотвод состоит из трех основных частей: молниеприемника, воспринимающего удар молнии; токовода, соединяющего молниеприемник с заземлителем, через который ток молнии стекает в землю. По типу монниеприемников наиболее распространены стержневые и тросовые. Молниеотводы разделяются на одиночные, двойные и многократные.

Окрест молниеотвода образуется зона защиты, то есть пространство, в пределах которого обеспечивается защита строения или какого-либо другого объекта от прямого удара молнии. Степень защиты в указанных зонах составляет более 95%. Это означает, что из 100 ударов молнии в защищенный объект возможно менее 5 случаев попадания, остальные удары будут восприняты молниеприемником.

Зона защиты ограничивается образующими двух конусов, один из которых имеет высоту Ь, равную высоте молниеотвода, и радиус основания К. = 0,75 Ь, а другой - высоту 0.8 п и радиус основания 1,5 Ь (при радиусе основания второго конуса К = п эффективность защиты обеспечивается на 99%).

Молниеприемники стержневых молниеотводов изготавливают из стали любого профиля, как правило, круглого, сечением не менее 100 мм2 и длиной не менее 200 мм. Для защиты от коррозии ох окрашивают. Молниеприемники тросовых молниеотводов изготавливают из металлических тросов диаметром около 7 мм.

Тоководы должны выдерживать нагрев при протекании очень больших токов разряда молнии в течение короткого промежутка времени, поэтому их делают из металлов с небольшим сопротивлением. Сечение тоководов_на воздухе не должно быть менее 48 мм2, а в земле - 160 мм2.

Заземлители являются важнейшим элементом молниезащиты. Их назначение - обеспечивать достаточно малое сопротивление растеканию тока молнии в грунте. В качестве заземлителя можно использовать зарытые в землю на глубину 2 - 2,5 м металлические трубы, плиты, мотки проволоки и сетки, куски металлической арматуры.

Молниеотводы желательно устанавливать на возвышенностях, чтобы сократить путь молнии и увеличить размеры зоны защиты. Дымовые трубы, фронтоны, выступы на крыше, телевизионные антенны нужно заземлить с помощью тоководов. Металлические водосточные трубы и лестницы, ведущие на крышу, желательно соединить с тоководом или заземлить отдельно.

При выполнении молниезащиты нужно обязательно соблюдать следующие требования:

Сечение молниеприемника и тоководов должны быть достаточными (не менее 48 мм);

Тоководы не должны иметь резких изгибов и жесткого закрепления, ток как при разогреве протекающим током они расширяются и деформируются. Если тоководы проходят по крыше или стене из горючих материалов (рубероида, дерева) они располагаются на расстоянии около 15 мм от поверхности крыши или стены.

Заземление молниеотвода должно быть не более 20 см и располагаться не ближе 3 м от подземных коммуникаций, идущих в здание, например, водопроводных труб. Заземление желательно располагать в местах, малодоступных или редко посещаемых людьми и домашними животными, чтобы уменьшить вероятность поражения шаговым напряжением. При недостаточной проводимости грунта (сухой песчаный грунт) его можно подсолить, при этом его проводимость увеличится более чем в 10 раз.

Защита от молний в частном доме

Защита от молний в частном доме очень важный пункт в электрической цепи дома. Если в многоквартирном доме этим занимается организация, обслуживающая электрическую сеть, то в частном жилище придется взять ситуацию в свои руки. Молния - природный разряд электричества. Сила молнии такова, что на краткие наносекунды своего существования она сравнивается с энергией ядерной электростанции.

Понятно, что при прямом попадании в электрическую сеть дома провода и приборы не то что перегорят, а просто взорвутся. Именно поэтому к такой защите следует отнестись со всей серьезностью и не скупиться на расходы по установке. Молниезащита бывает внутренней и внешней. Это как бы 2 охранных контура, которые, работая совместно, могут почти на 100 % обезопасить электрооборудование и людей в доме.

Внешняя защита от молний

В первую очередь это молниеотвод , который устанавливается на самой высокой точке дома, соединенный проводником с системой заземления. Еще до недавнего времени громоотвод соединялся к заземлителем, который одновременно служил и системой заземления в доме. Как выяснилось опытным путем, такой защиты недостаточно для того, чтобы спокойно чувствовать себя в грозу. Чтобы не пугать никого описанием, что бывает в случае, когда молния пробивает заземление (200 тыс. А!), необходимо показать устройство и схему нормально функционирующего молниеотвода.

Молниеприемник , который устанавливается на крыше, бывает 2 видов. Это либо высокий металлический штырь, который вертикально выставляется при помощи деревянных стоек, либо трос, протянутый вдоль всего конька крыши и уложенный на деревянные подпорки.

Есть еще вариант, когда на крышу укладывают металлическую сетку, сваренную из арматур сечением 8–10 мм², с шагом ячеек 2–5 м. В принципе, особенной разницы между ними нет.

Тросовые молниеприемники охватывают большую площадь крыши и считаются более безопасными, а сеточные не портят внешнего вида дома. Сечение молниеприемника должно быть не меньше 12 мм², хотя лучше всего арматура с запасом - 16 мм². При установке штыря необходимо помнить, что он должен возвышаться над самой высокой точкой кровли не меньше чем на 20–30 см, то же самое относится и к тросовому приемнику.

Примечание . Зона, которую защищает громоотвод, примерно равна его высоте. Например, при высоте над землей 6 м он защитит от попадания молнии территорию круга с радиусом 6 м.

Провод, по которому энергия молнии пойдет к заземлителю, лучше брать стальной сечением не меньше 10 мм² или медный провод сечением не меньше 6 мм². Это как раз тот случай, когда кашу маслом не испортить: чем толще будет провод, тем безопаснее. Проводник соединяется с приемником сваркой или при помощи болтового соединения, конец провода обжимается наконечником. Кабель опускается по наружной стене дома, к которой он крепится при помощи пластиковых хомутов. Они, в свою очередь, приделываются к стене при помощи дюбельей. Желательно, чтобы это была глухая стена, противоположная входной двери, без окон. Проводник не должен проходить мимо металлических элементов (лестниц, водопроводных и водосточных труб) ближе чем на 30 см.

Теперь отдельно о системе заземлителя. Он не должен быть совместным с заземлителем контура заземления дома. Это отдельное устройство, и характеристики его должны быть такими же, как у заземлителя дома. Его также надо углублять в землю на 3 м и приваривать к токоотводу.

Примечание . При современном строительстве для оштукатуривания дома используют металлическую сетку, которая поддерживает раствор на стене, армируя его. Эта сетка - неплохая защита от наведенных токов, которые часто случаются во время грозы, даже когда молния не ударяет поблизости.

Внутренняя защита от молний

Ее обеспечивают специальные устройства, которые добавляются в схему домового щитка и ВУ. Суть их в следующем: даже если молния не попадает в дом, во время грозы частенько случаются скачки напряжения, помехи в телевизоре и радио. Это объясняется тем, что электромагнитное поле при ударе молнии может создавать импульсные токи в проводке и устройствах. Разряд необязательно должен ударить именно в дом - это может произойти на расстоянии нескольких сотен метров и даже километров. Если же молния попадает в дом, то в лучшем случае молниеотвод сбросит напряжение в заземлитель, в худшем - разряд со всей силой ударит по электрической сети.

Даже когда энергия молнии стечет по молниеотводу, ток, возникающий в проводке, может привести к порче чувствительной аппаратуры (компьютеров, холодильников и телевизоров). Лучше и не представлять, что случится при прямом воздействии. Как раз для защиты от таких ситуаций и существуют специальные устройства - ограничители. Внутри ВРУ можно установить ограничители перенапряжения (ОПН). Эти устройства по внешнему виду напоминают обычные автоматы (ВА), только без рычага отключения. Все, что надо знать про ограничители, - что они устанавливаются между фазой и заземлением или нулевым проводом и заземлением.

Ограничители бывают 3 видов и различаются по чувствительности к току перенапряжения.

1. Класс «В» - такие ограничители ставят на входе в щит. Они предназначены для защиты от сверхвысокого напряжения - прямого удара молнии.

2. Класс «С» - устройства устанавливаются по схеме после ограничителей класса «В» и служат защитой от наведенных токов.

3. Класс «D» устанавливают, когда в доме находится особо чувствительная аппаратура.

Применять следует все 3 вида устройств, поскольку у них разный уровень чувствительности, и ставить по схеме один за другим.

Примечание. Если в доме не установлены ограничители, то во время грозы желательно отключать бытовую технику.

Например, при близком ударе молнии сработает ограничитель «В», а при прямом ударе - «С». Именно поэтому нельзя поставить устройство класса «D» и на этом успокоиться, считая, что дом защищен. Ограничители рассчитаны как на однофазные сети, так и на трехфазные. Ниже приведено несколько схем подключения ограничителей.

Применение ОПН различного класса для защиты аппаратуры, находящейся в доме

1 - шина уравнивания потенциалов; 2 - хомут уравнивания потенциалов; 3 - полоса заземления; 4 - ограничитель перенапряжения, устанавливается между фазовыми проводниками и проводом РЕ; 5 - ограничитель перенапряжения категории «C», устанавливается в распределительных шкафах на вводе; 6 - ограничитель перенапряжения категории «D», устанавливается непосредственно перед каждым электронным потребителем электроэнергии; 7 - ограничитель перенапряжения категории «B», устанавливается в разрез антенного фидера; 8 - ограничитель перенапряжения категории «D»; 9 - ограничитель перенапряжения категории «B» для защиты телефонных линий; 10 - ограничитель перенапряжения категории «B»

Молнии, образующиеся обычно в кучево-дождевых (грозовых) облаках, являются электрическим разрядом силой тока до 500 тыс. ампер. Они сопровождаются ослепительными, яркими вспышками и последующим оглушительным звуком (громом). Их природа долгое время была тайной для человека, поэтому люди наделяли молнии божественной силой. Только в 1750 г. благодаря опытам американца Франклина была разгадана загадка этого природного явления, а точнее его электрическую природу. Это стало толчоком к дальнейшему изучению физики молний и появлению методов молниезащиты зданий и строений.

Физика молнии

Исследования образования электрических разрядов показали, что все молнии можно разделить на межоблачные и удары в землю. В результате электризации облаков одна его часть становится положительно заряженной (верхняя), а другая - отрицательно (нижняя). После накопления достаточно больших зарядов, по типу конденсатора, происходит разрядка. Во время грозы разность электрических потенциалов между небом и землей становится чрезмерно большой и под воздействием космических лучей возникают каналы проводимости, происходит молниевый разряд. Сначала идет серия слабых разрядов (лидеров), они разогревают и расширяют канал. Когда головка лидера контактирует с поверхностью земли, начинается разгрузка (потенциалы постепенно выравниваются).

В результате разрядов выделяется огромное количество энергии, которое может стать причиной таких негативных последствий, как:

• частичное или полное разрушение здания;
• сильнейший пожар или техногенная авария;
• нарушение работы важной электроники и электрических приборов;
• мгновенная смерть или серьезные травмы человека или животных.

Самые сильные грозы можно наблюдать в Венесуэле в устье реки Кататумбо. Здесь вероятность удара молний наивысшая в мире, так как грозы можно наблюдать 70-200 дней в году, и число молниевых разрядов может достигать 28 в минуту. Однако, известны случаи, когда после удара молний люди оставались живы (Рой Салливан - человек-громоотвод выжил после 7 ударов). Чаще всего молнии наблюдаются в Африке (Конго, Камерун). В Конго молнией была убита целая футбольная команда. Поэтому молниезащита зданий, опасных или исторически ценных объектов и сооружений , сегодня - одно из важных мероприятий при строительстве и охране строений.

Грозозащита

Молниезащита - это комплекс мер и приспособлений, применяемых для обеспечения безопасности сооружений и всего, что в них находится. Утвержденные инструкции РД 34.21.122-87 и СО 153-34.21.122-2003 дают представление о существующих требованиях при организации профессиональной грозозащиты и позволяют организовать ее с максимальной эффективностью. Проектирование системы громозащиты для каждого конкретного объекта должно включать оптимальную защиту от прямых ударов молнии и от вторичного попадания ее разрядов в электрические сети.

Сегодня различают внешнюю и внутреннюю системы грозозащиты . Внутренняя защищает от импульсных перенапряжений и важна для нормальной работы электроники и электрического оборудования и приборов. Внешняя система защищает здание, башню или корабль от прямых ударов молнии и представляет собой громоотвод, соединенный с токоотводом и заземлителем. Она бывает активного и пассивного действия. Наиболее распространенные типы внешней громозащиты - стержневая, тросовая и молниеприемная сеть.

Устройство молниезащиты в наиболее простом случае представляет собой установку одного или двух стержней из меди, алюминия, оцинкованной или нержавеющей стали на самой верхней точке здания. Далее они соединяются с токоотводом и заземлением. В частных домах молниеприемником может служить металлическая кровля, к которой в двух местах обязательно подводятся токоотводы с заземлением. Неметаллические крыши жилых домов защищают молниеприемной сеткой, для деревянных домов чаще применяют активную защиту, устанавливая рядом с домом громоотвод, притягивающий молнию.

Элементы молниезащиты сегодня можно увидеть практически на всех многоэтажных зданиях, на телевышках, башнях, трубах и куполах храмов. На статуе, установленной на здании баварского парламента, можно увидеть громоотвод. На крестах (молниеприемниках) собора Покрова Божией Матери на Рву (храм Василия Блаженного) также хорошо заметны токоотводы.

Современному человеку вряд ли нужно доказывать, что молниезащита — это не роскошь, а залог безопасности.

Молния - уникальное природное явление, которое еще не до конца изучено, но, несмотря на это, может нанести значительный вред людям и окружающим предметам. Проблема защиты от молнии актуальна для всех людей, которые беспокоятся о сохранности здоровья и техники.

Прямое попадание молнии в незащищенное строение может вызвать пожар, вывести из строя электроприборы. Молниезащита одинаково важна как для частного дома, так и для промышленных объектов и трансформаторных подстанций.

Защита от молнии может осуществляться несколькими способами. Самый распространенный метод - классический. Открыл его еще в восемнадцатом веке Бенджамин Франклин. Способ этот прост и довольно эффективен, заключается он в установке молниеотвода, который принимает на себя разряд молнии.

Грозозащита - это специальное устройство, защищающее оборудование от статического электричества. Как известно, статическое электричество проявляется в виде атмосферного электричества, удара молний, накопления статики во время осадков и т. д.

Как правило, грозозащита представляет собой диодный мост с защитным диодом, срабатывающим при возникновении разницы потенциалов между защищаемыми проводами более 6-7 В. Как следствие - провода замыкаются накоротко, а излишки статического напряжения отводятся при помощи специальной схемы.

Специалистам легко дается решение проблемы защиты от грозы (грозозащиты или молниезащиты) зданий. На сегодняшний день можно защитить дом и его обитателей от всех существующих поражающих факторов молнии - таких как непосредственное попадание молнии в здание, перенапряжения в сетях (коммутационные или грозовые), вторичное проявление разряда и т. п.

В состав надежной грозозащиты зданий и оборудования входят следующие составляющие:

Грозозащита внутри здания - это защита от повреждений, возникших из-за непрямого попадания молнии в тот или иной объект. Таким образом, оборудование защищено от импульсов перенапряжений, которые возникают в результате влияния молниевого тока.

Внешняя молниезащита - защита от прямых ударов молнии, которые иногда подвергают здание возгоранию. Внешняя защита отводит ток молнии в землю.

Защита электроприборов от грозы является - обязательное условие бесперебойной работы торговых центров, фабрик, офисных зданий, заводов и других крупных и важных объектов. Грозозащиту осуществляют разными способами - все зависит от типа прибора.

Каждая деталь молниезащиты должна быть качественной и прочной. В противном случае последствия могут непредсказуемыми.

Еще одна защита от молнии - это активная система (азс). Специальный элемент устанавливается в доме и ионизирует пространство вокруг себя. Таким образом, формируется защитная зона, и в случае удара молнии разряд притянется к специальной антенне на крыше. Разряд пройдет по токоотводу и уйдет в землю.

Специалисты выделяют несколько категорий молниезащиты. Применение той или иной системы зависит от предназначения строения, уровня пожароопасности и др.

Монтаж системы молниезащиты должен осуществляться опытными специалистами. Первый этап работ — проектирование, тщательный расчет всех параметров. Для этого существуют специальные компьютерные программы. Следует учитывать высоту зданий, особенности их конфигурации и другие детали. Специалисты нашей компании составляют индивидуальный проект молниезащиты для каждого клиента, что гарантирует его высокую эффективность.

Стоит отметить, что защита от молнии должна распространяться не только на наружную часть здания, но и внутреннюю. Поэтому актуальным в последнее время становится использование защиты от импульсных перенапряжений, сокращенно УЗИП.

Принцип действия устройства очень прост. После попадания молнии и появления высокого напряжения специальные резисторы перегорают. Остается просто заменить их на новые. Есть и многоразовые ограничители, но они стоят гораздо дороже. Таким образом, молниезащита предотвращает перенапряжение и обеспечивает надежную работу техники.

Грозозащита защищает разнообразное оборудование и приборы от отключения и повреждения.

Более того, она просто необходима для использования с целью изоляции воздушных линий от импульсных перенапряжений, которые вызываются магнитным полем молнии. Не обойтись без грозозащиты и для предупреждения пережогов замыканий электросетей и проводов.

Монтаж молниезащиты происходит следующим образом. Громоотвод устанавливается на изолированные подпорки, а крепление осуществляется на самой высокой точке кровли. Затем к молниеотводу приваривается токоотвод - специальный проводник, изготовленный из полосовой стали с цинковым покрытием. Токоотвод спускается с кровли и надежно заземляется.

Молния всегда будила фантазию человека и стремление познавать мир. Она принесла на землю огонь, приручив который, люди стали могущественнее. Мы пока не рассчитываем на покорение этого грозного природного явления, но хотели бы «мирного сосуществования». Ведь чем совершеннее создаваемая нами техника, тем опаснее для нее атмосферное электричество. Один из способов защиты - заранее, с помощью специального имитатора, оценивать уязвимость промышленных объектов для тока и электромагнитного поля молнии.

Любить грозу в начале мая легко поэтам и художникам. Энергетик, связист или космонавт от начала грозового сезона в восторг не придет: слишком большие неприятности он обещает. В среднем на каждый квадратный километр территории России ежегодно приходится около трех ударов молний. Их электрический ток доходит до 30 000 А, а у самых мощных разрядов может превысить 200 000 А. Температура в хорошо ионизированном плазменном канале даже умеренной молнии может достигать 30000 °С, что в несколько раз больше, чем в электрической дуге сварочного аппарата. И конечно, это не сулит ничего хорошего многим техническим объектам. Пожары и взрывы от прямого попадания молнии хорошо знакомы специалистам. А вот обыватели риск подобного события явно преувеличивают.

Наконечник флагштока останкинской телебашни. Видны следы оплавленияВ реальности «небесная электрозажигалка» не столь уж эффективна. Представьте: вы пытаетесь развести огонь во время урагана, когда из-за сильного ветра трудно зажечь даже сухую солому. Еще мощнее воздушный поток от канала молнии: ее разряд рождает ударную волну, громовой раскат которой срывает и гасит пламя. Парадокс, но слабая молния пожароопаснее, особенно, если по ее каналу в течение десятых долей секунды (целая вечность в мире искровых разрядов!) протекает ток около 100 А. Последний мало чем отличается от дугового, а электрическая дуга подожжет все, способное гореть.

Впрочем, для здания обычной высоты попадание молнии — явление не частое. Опыт и теория показывают: она «притягивается» к наземному сооружению с расстояния, близкого к трем его высотам. Десятиэтажная башня соберет около 0,08 молний ежегодно, т.е. в среднем 1 удар за 12,5 лет эксплуатации. Дачный домик с мансардой — примерно в 25 раз меньше: в среднем владельцу придется «ждать» около 300 лет.

Но не будем и преуменьшать опасность. Ведь если молния ударит хотя бы в один из 300-400 поселковых домов, местные жители вряд ли сочтут это событие ничтожным. А есть объекты гораздо большей протяженности — скажем, линии электропередачи (НЭП). Их длина вполне может превысить 100 км, высота — 30 м. Значит, справа и слева каждая из них соберет удары с полос шириной по 90 м. Общая площадь «стягивания» молний превысит 18 км2, их число — 50 за год. Разумеется, стальные опоры линии при этом не сгорят, провода не расплавятся. В наконечник флагштока Останкинской телебашни (Москва) молнии ударяют примерно 30 раз в год, однако ничего страшного не происходит. А чтобы понять, чем они опасны для ЛЭП, нужно познать природу электрических, а не термических воздействий.

ГЛАВНАЯ СИЛА МОЛНИИ

При ударе в опору электрической линии ток стекает в землю через сопротивление заземления, которое, как правило, составляет 10-30 Ом. При этом даже «средняя» молния, с током 30 000 А, создает напряжение 300-900 кВ, а мощная — в несколько раз больше. Так возникают грозовые перенапряжения. Если они достигают мегавольтного уровня, изоляция ЛЭП не выдерживает и пробивается. Происходит короткое замыкание. Линия отключается. Еще хуже, когда канал молнии прорывается непосредственно к проводам. Тогда перенапряжение на порядок выше, чем при поражении опоры. Борьба с этим явлением и сегодня остается трудной задачей электроэнергетиков. Причем по мере совершенствования техники ее сложность лишь нарастает.

Останкинская телебашня выступила в роли молниеотвода, пропустив удар молнии на 200 м ниже вершиныЧтобы удовлетворить стремительно растущие потребности человечества в энергии, современные электростанции должны объединяться в мощные системы. В России сейчас функционирует единая энергетическая система: все ее объекты работают взаимосвязанно. Поэтому случайный выход из строя даже одной ЛЭП или электростанции может привести к серьезным последствиям, похожим на происшедшее в Москве в мае 2005 г. В мире отмечено немало системных аварий по вине молний. Одна из них — в США в 1968 г. нанесла многомиллионный ущерб. Тогда грозовой разряд отключил одну ЛЭП, и энергосистема не справилась с возникшим дефицитом энергии.

Неудивительно, что защите ЛЭП от молний специалисты уделяют должное внимание. По всей длине воздушных линий напряжением 110 кВ и более подвешивают специальные металлические тросы, стремясь сверху уберечь провода от прямого попадания. Их изоляцию максимально усиливают, сопротивление заземления опор предельно снижают, а для дополнительного ограничения перенапряжений используют полупроводниковые устройства, подобные тем, что защищают входные цепи компьютеров или высококачественных телевизоров. Правда, их сходство — только в принципе действия, рабочее же напряжение для линейных ограничителей исчисляется миллионами вольт — оцените масштабы затрат на защиту от молнии!

Часто спрашивают, реально ли спроектировать абсолютно молниестойкую линию? Ответ однозначный — да. Но тут неизбежны два новых вопроса: кому это надо и сколько будет стоить? Ведь если нельзя повредить надежно защищенную ЛЭП, то можно, например, сформировать ложную команду на отключение линии или просто разрушить низковольтные цепи автоматики, которые в современном исполнении построены на микропроцессорной технике. Рабочее напряжение микросхем с каждым годом снижается. Сегодня оно исчисляется единицами вольт. Вот где простор для молнии! И нет нужды в прямом ударе, ибо она способна действовать дистанционно и сразу на больших площадях. Главным ее оружием становится электромагнитное поле. Выше говорилось о токе молнии, хотя для оценки электродвижущей силы магнитной индукции важен и ток, и скорость его роста. У молнии последняя может превышать 2 . 1011 А/с. В любом контуре площадью 1 м2 на расстоянии 100 м от канала молнии такой ток наведет напряжение примерно вдвое выше, чем в розетках жилого дома. Не нужно большой фантазии, чтобы представить судьбу микросхем, рассчитанных на напряжение порядка одного вольта.

В мировой практике известно множество тяжелых аварий из-за разрушения цепей управления грозовым разрядом. В этот перечень попадают повреждения бортовой аппаратуры авиалайнеров и космических кораблей, ложные отключения сразу целых «пакетов» высоковольтных ЛЭП, выход из строя аппаратуры антенных систем мобильной связи. К сожалению, заметное место здесь занимают и «бьющие» по карману обычных граждан повреждения бытовой техники, все больше заполняющей наши дома.

ПУТИ ЗАЩИТЫ

Мы привыкли рассчитывать на защиту молниеотводами. Помните оду великого естествоиспытателя XVIII в., академика Михаила Ломоносова на их изобретение? Наш знаменитый соотечественник восторгался победой, говорил, что небесный огонь перестал быть опасным. Конечно, это приспособление на крыше жилого дома не даст молнии поджечь деревянный настил или другие горючие строительные материалы. В отношении же электромагнитных воздействий он бессилен. Совершенно безразлично, течет ли ток молнии в ее канале или по металлическому стержню молниеотвода, все равно он возбуждает магнитное поле и наводит за счет магнитной индукции во внутренних электрических цепях опасное напряжение. Для эффективной борьбы с этим молниеотвод обязан перехватывать канал разряда на отдаленных подступах к защищаемому объекту, т.е. стать очень высоким, потому что наводимое напряжение обратно пропорционально расстоянию до проводника с током.

Сегодня накоплен большой опыт использования таких конструкций разной высоты. Однако статистика не слишком утешительная. Зону защиты стержневого молниеотвода обычно представляют в виде конуса, осью которого он является, но с вершиной, расположенной несколько ниже, чем его верхний конец. Обычно 30-метровый «стержень» обеспечивает 99%-ную надежность защиты здания, если возвышается над ним примерно на 6 м. Добиться этого — не проблема. Но с увеличением высоты молниеотвода расстояние от его вершины до «прикрываемого» объекта, минимально необходимое для удовлетворительной защиты, стремительно нарастает. Для 200-метровой конструкции той же степени надежности этот параметр уже превышает 60 м, а для 500-метровой — 200 м.

В подобной роли выступает и упомянутая Останкинская телебашня: она не в состоянии защитить самое себя, пропускает удары молнии на расстоянии 200 м ниже вершины. Радиус зоны защиты на уровне земли для высоких молниеотводов также резко увеличивается: у 30-метрового он сопоставим с его высотой, у той же телебашни — 1/5 ее высоты.

Иными словами, нельзя надеяться, что молниеотводы традиционной конструкции сумеют перехватить молнию на дальних подступах к объекту, особенно если последний занимает большую площадь на поверхности земли. Значит, нужно считаться с реальной вероятностью грозового разряда в территорию электрических станций и подстанций, аэродромов, складов жидкого и газообразного топлива, протяженных антенных полей. Растекаясь в земле, ток молнии частично попадает в многочисленные подземные коммуникации современных технических объектов. Как правило, там находятся электрические цепи систем автоматики, управления и обработки информации - тех самых микроэлектронных устройств, о которых говорилось выше. Кстати, расчет токов в земле сложен даже в самой простейшей постановке. Трудности усугубляются из-за сильных изменений сопротивления большинства грунтов в зависимости от силы растекающихся в них токов килоамперного уровня, как раз свойственных разрядам атмосферного электричества. К расчету цепей с такими нелинейными сопротивлениями неприменим закон Ома.

К «нелинейности» грунта добавляется вероятность образования в нем протяженных искровых каналов. Ремонтные бригады кабельных линий связи хорошо знакомы с такой картиной. От высокого дерева на лесной опушке по земле тянется борозда, будто от сохи или старинного плуга, и обрывается точно над трассой подземного телефонного кабеля, который в этом месте поврежден - металлическая оболочка смята, изоляция жил разрушена. Так проявилось действие молнии. Она ударила в дерево, и ее ток, растекаясь по корням, создал в грунте сильное электрическое поле, сформировал в нем плазменный искровой канал. Фактически молния как бы продолжила свое развитие, только не по воздуху, а в земле. И так она может проходить десятки, а в особенно плохо проводящих ток грунтах (скальных или вечномерзлых породах) и сотни метров. Прорыв ее к объекту осуществляется не традиционным путем — сверху, а, минуя любые молниеотводы, снизу. Скользящие разряды вдоль поверхности грунта хорошо воспроизводятся в лаборатории. Все эти сложные и сильно нелинейные явления нуждаются в экспериментальном исследовании, моделировании.

Ток для рождения разряда может быть сформирован искусственным импульсным источником. Энергия около минуты накапливается в конденсаторной батарее, а потом за десяток микросекунд «выплескивается» в бассейн с грунтом. Подобные емкостные накопители есть во многих высоковольтных исследовательских центрах. Их габариты достигают десятков метров, масса — десятков тонн. Такие не доставишь на территорию электрической подстанции или другого промышленного объекта, чтобы в полном масштабе воспроизвести условия растекания токов молнии. Это удается разве что случайно, когда объект соседствует с высоковольтным стендом — например, в открытой установке Сибирского научно-исследовательского института энергетики импульсный генератор высоких напряжений размещен рядом с ЛЭП в 110 кВ. Но это, конечно, исключение.

ИМИТАТОР УДАРА МОЛНИИ

На деле же речь должна идти не об уникальном эксперименте, а о рядовой ситуации. В полномасштабной имитации тока молнии крайне нуждаются специалисты, поскольку только так можно получить достоверную картину распределения токов по подземным коммуникациям, измерить последствия воздействия электромагнитного поля на устройства микропроцессорной техники, определить характер распространения скользящих искровых каналов. Соответствующие испытания должны стать массовыми и производиться до ввода в эксплуатацию каждого принципиально нового ответственного технического объекта, как это давно делается в авиации, космонавтике. Сегодня нет иной альтернативы, кроме создания мощного, но малогабаритного и мобильного источника импульсных токов с параметрами тока молнии. Его макетный образец уже существует и успешно испытан на подстанции «Донино» (110 кВ) в сентябре 2005 г. Все оборудование разместилось в заводском прицепе от серийной «Волги».

Мобильный испытательный комплекс построен на основе генератора, который преобразует механическую энергию взрыва в электрическую. Этот процесс в основном хорошо известен: он имеет место в любой электрической машине, где механическая сила движет ротор, противодействуя силе его взаимодействия с магнитным полем статора. Принципиальное различие же состоит в исключительно высокой скорости выделения энергии при взрыве, быстро разгоняющего металлический поршень (лайнер) внутри катушки. Он за микросекунды вытесняет магнитное поле, обеспечивая возбуждение высокого напряжения в импульсном трансформаторе. После дополнительного усиления импульсным трансформатором напряжение формирует ток в испытуемом объекте. Идея этого устройства принадлежит нашему выдающемуся соотечественнику, «отцу» водородной бомбы академику А.Д. Сахарову.

Взрыв в специальной высокопрочной камере разрушает лишь катушку длиной 0,5 м и лайнер внутри нее. Остальные элементы генератора используют многократно. Схему можно настроить так, чтобы скорость роста и длительность формируемого импульса соответствовали аналогичным параметрам тока молнии. Причем его удается «вогнать» в объект большой длины, например, в провод между опорами ЛЭП, в контур заземления современной подстанции или в фюзеляж авиалайнера.

При испытаниях макетного образца генератора в камеру заложили всего 250 г взрывчатки. Этого достаточно для формирования импульса тока амплитудой до 20 000 А. Правда, для первого раза на столь радикальное воздействие не пошли — ток ограничили искусственно. При запуске установки раздался лишь легкий хлопок погашенного камерой взрыва. А проверенные затем записи цифровых осциллографов показали: импульс тока с заданными параметрами успешно был введен в молниеотвод подстанции. Датчики отметили скачок напряжения в различных точках контура заземления.

Ныне штатный комплекс в процессе подготовки. Он будет настроен на полномасштабную имитацию токов молнии и при этом разместится в кузове серийного грузовика. Взрывная камера генератора рассчитана на работу с 2 кг взрывчатки. Есть все основания считать, что комплекс окажется универсальным. С его помощью можно будет испытывать на устойчивость к воздействию тока и электромагнитного поля молнии не только электроэнергетические, но и другие крупногабаритные объекты новой техники: АЭС, телекоммуникационные устройства, ракетные комплексы и т.д.

Хотелось бы закончить статью на мажорной ноте, тем более, что для этого есть основания. Ввод штатного испытательного комплекса позволит объективно оценивать эффективность самых современных защитных средств. Тем не менее, какая-то неудовлетворенность все равно остается. Фактически человек снова идет на поводу у молнии и вынужден мириться с ее своеволием, теряя при этом немало денег. Применение средств молниезащиты приводит к увеличению габаритов и веса объекта, растут затраты дефицитных материалов. Вполне реальны парадоксальные ситуации, когда размеры защитных средств превышают таковые защищаемого конструктивного элемента. В инженерном фольклоре хранится ответ известного авиаконструктора на предложение спроектировать абсолютно надежный самолет: такую работу можно выполнить, если заказчик смирится с единственным недостатком проекта — самолет никогда не оторвется от земли. В молниезащите сегодня происходит нечто подобное. Вместо наступления специалисты держат круговую оборону. Чтобы вырваться из порочного круга, нужно понять механизм формирования траектории молнии и найти средства управления этим процессом за счет слабых внешних воздействий. Задача сложная, но далеко не безнадежная. Сегодня ясно, что молния, движущаяся от облака к земле, никогда не ударяет в наземный объект: от его вершины навстречу приближающейся молнии прорастает искровой канал, так называемый встречный лидер. В зависимости от высоты объекта он вытягивается на десятки метров, иногда на несколько сотен и встречает молнию. Конечно, это «свидание» происходит не всегда — молния может промахнуться.

Но вполне очевидно: чем раньше возникнет встречный лидер, тем дальше он продвинется к молнии и, значит, больше шансов на их встречу. Следовательно, нужно научиться «тормозить» искровые каналы от защищаемых объектов и, напротив, стимулировать от молниеотвода. Основание для оптимизма внушают те весьма слабые внешние электрические поля, в которых формируется молния. В грозовой обстановке поле у земли около 100-200 В/см — примерно такое же, как на поверхности электрического шнура утюга или электробритвы. Раз молния довольствуется такой малостью, значит столь же слабыми могут быть управляющие ею воздействия. Важно только понять, в какой момент и в каком виде они должны быть поданы. Впереди трудная, но интересная исследовательская работа.

Академик Владимир ФОРТОВ, Объединенный институт физики высоких температур РАН, доктор технических наук Эдуард БАЗЕЛЯН, Энергетический институт им. Г.М. Кржижановского.