Защита зданий от молнии. Расчет молниеотвода.

Попытки защититься от молнии, известны задолго до начала нашей  эры. Во время археологических раскопок d Египте были найдены на стенах разрушенных храмов надписи, из которых видно, что установленные вокруг храма, например, в Эдфу, мачты служили для защиты «от небесного огня». Дошедшие до нас другие еrипетские надписи свидетельствуют о том, что заостренные сверху и по повелению Рамзеса 3 (за много веков до нашей эры) позолоченные сорокаметровые мачты отводили от храма грозы и огонь. Научное же объяснение молниеотводов, неправильно называемых в повседневном быту громоотводами, и их широкая популяризация начались уже гораздо позже.

Защита от прямых попаданий молнии в объект осуществляется с помощью молниеотводов. Молниеотвод представляет собой  устройство, которое устанавливается над защищаемым объектом и через который ток молнии, минуя данный объект, отводится в землю. Электричество всегда стремится выбрать путь по тому проводнику, у которого электрическое сопротивление меньше.

Молниеотвод состоит из молниеприемника, непосредственно  воспринимающего удар молнии, токоотвода и заземлителя (рис. 1).

Рис. 1 Устройство простейшего молниеотвода: 1 молниеприемник; 2 токоотвод; 3 заземлитель

Молниеотвод принимает на себя удар молнии, который в противном случае пришелся бы в некоторое место строения. Степень защищенности постройки напрямую зависит от высоты, на которой установлен  молниеотвод, и качества заземления.

Защитное действие молниеотвода характеризуется зоной защиты, то есть пространством вблизи молниеотвода, в которое попадание молнии маловероятно.

Молния чаще всего поражает строения, возвышающиеся над окружающей поверхностью. Еще в то время, когда устанавливали первый молниеотвод, возникли споры о размерах зоны, в пределах которой он способен обеспечить надежную защиту.

Эти споры продолжаются и до сих пор. В самом деле, если речь идет о полной защите от любого вида разрядов, то решить такой вопрос не так  легко.Например, для защиты обычного небольшого дома, вполне достаточно, металлического стержня.

Молниеотвод такого типа, даже в местности с большим количеством гроз, будет исправно служить довольно длительное время, не одному поколению владельцев дома. Иначе обстоит дело с заводом, производящим взрывчатые вещества. В этом случае, использование стержня не гарантирует полной защиты.

По данным последних теоретических и статистических исследований, стержень надежно защищает почти от любого вида разрядов пространство, ограниченное поверхностью конуса, вершина которого совпадает с верхним концом стержня, а радиус основания равен длине стержня.

Время от времени появляются предложения вместо условного конуса с радиусом основания, равным длине стержня, применять конус, радиус основания которого по крайней мере в два раза больше длины стержня.

Нужно заметить, что эти предложения основаны на экспериментах с искусственной искрой. Искры не могут в должной мере служить моделью молнии, так как с их помощью невозможно смоделировать различные её особенности. Поэтому, когда требуется достаточно надежная защита от молнии, защищенной можно считать только ту зону, которая лежит внутри стандартного конуса. И даже в этом случае мы не имеем 100 процентной гарантии, что внутрь этого конуса не ударит одна из небольших молний, возникающих при грозовом разряде.

По иронии судьбы один из первых молниеотводов, установленный в 1772 г., по совету его изобретателя Б. Франклина, на пороховом складе в г. Перфлите (США), не защитил здание от молнии, которая все таки проникла в защитный конус. Молния, ускользнувшая в этом случае от молниеотвода, оказалась, как и следовало ожидать, очень слабой и повредила лишь несколько кирпичей кладки.

Молниеотводы делятся на стержневые и  тросовые. В настоящее время зона защиты одиночного стержневого молниеотвода определяется по формуле Rо= ­ 1,5xh, где  h ­ высота молниеотвода, а Rо ­ радиус  защитной зоны на земле вокруг  центра  строения (рис.2).

Рис. 2 Зона защиты одиночного стержневого молниеотвода: 1-зона строения, 2-зона защиты, h-высота молниеотвода, hx-высота дома до конька, ho = h x +O,5 м, Rх-полудлина крыши, Rо-радиус защитной зоны

Стержневой молниеотвод представляет собой металлический стержень, вертикально закрепленный на деревянной мачте и соединенный токоотводящим проводом с  заземлителем (рис.3).

Рис. 3 Стержневой молниеотвод дома:1-молниеприемник; 2-деревянная мачта; З-токоотводящий провод; 4-заземлитель; 5-место пайки (сварки) конца токовода к заземлителю; 6 -фундамент; 7-уровень почвы

Для изготовления молниеприемников применяют стальные прутки диаметром 12 мм, полосы 35х3 мм, уголки  2Ох20х3 мм, газовые трубки диаметром 1/2...3/4 дюйма и др. Длина молниеприемников должна быть от 300 до 1500 мм. К молниеприемнику обычно приваривается или прикручивается болтами токоотвод, причем площадь контакта должна быть минимум в два раза больше площади стыкуемых деталей.

Токоотводы выполняют из стали диаметром не менее 6 мм и полосы сечением 35 мм 2. Для изготовления токоотводов обычно применяют стальную проволоку катанку. Части токоотвода соединяют между собой при помощи сварки или болтами. Площадь контакта должна быть не менее двойной площади сечения токоотвода.

Токоотвод прокладывают кратчайшим путем по крышам и стенам защищаемого здания, а также по деревянным конструкциям опор молниеотводов в плотную к их поверхности. Исключение составляют здания с леrковоспламеняющейся кров лей, в этом случае токоотвод должен отстоять от нее на 15...20 см. Для крепления молниеотводов используют скобы, хомуты и гвозди. Заземлитель закапывают таким образом, чтобы он находился от дорожек  или крыльца на расстоянии не менее 5 метров. Заземлители, как правило, обносятся оградой не менее 4 метров в радиусе. Это необходимо для защиты людей от шагового напряжения, которое возникает в момент отвода молнии в землю.

Если уровень подпочвенных вод низкий, грунт сухой, то конструкция заземлителя может представлять собой два стержня длиной 2...3 метра. Стержни вбивают вертикально в землю и на глубине не менее 1,5 м, соединяют перемычкой, имеющей сечение 100 мм 2. К середине перемычки, только сваркой, приваривают токоотвод. Сопротивление заземления rpозозащиты не должно превышать 10 Ом.

Помещения, длиною до 14...15 м, защищают от прямого удара молнии одним стержневым молниеотводом, установленным на крыше здания. Для помещений длиною до 25 м гpозозащиту выполняют стержневым молниеотводом с установкой опоры по центру здания у наружной продольной стены.

Помещения сложной планировки и длиною более 25 м защищают двумя и более стержневыми молниеотводами с установкой опор у наружных стен. Высоту молниеотвода от уровня земли принимают равной 18...20 м. При защите помещений двумя стержневыми молниеотводами расстояние от угла торцевой стены в зависимости от ширины постройки должно быть 2...6 м. Увеличение расстояния ведет к увеличению высоты молниеотвода и усложнению его конструкции.

Установка молниеотводов, если крыша металлическая, не требуется. В этом случае крышу по периметру через 20...25 м заземляют. Трубы, вентиляционные устройства и т.п., установленные на крыше, присоединяют к металлической кровле.

Дома с неметаллической крышей могут быть защищены от ударов молнии тросовой молниезащитой (рис. 4). Такая  молниезащита  представляет собой натянутую вдоль конька крыши на высоте 150...250 мм от него стальную проволоку со стержневыми молниеприемниками.

Рис. 4 Устройство тросовой молниезащиты:1-стержневые молниеприемники; 2-тросовые молниеприемники; 3-стойки; 4-токовод; 5-заземлитель; 6-зона увлажнения

Нужно помнить, что системы молниезащиты необходимо периодически осматривать, проверять состояние и надежность соединения, ее элементов.