Молниезащита

Молниезащита (также громоотвод, грозозащита) — это комплекс технических решений и устройств, предназначенных для защиты зданий, сооружений, оборудования и людей от прямых ударов молнии и её вторичных проявлений (электростатической индукции, электромагнитной индукции, заноса высокого потенциала по подземным и наземным коммуникациям). Основной принцип молниезащиты заключается в перехвате тока молнии и его безопасном отводе в землю, минуя защищаемый объект.

История

Первые научные представления о природе молнии и способах защиты от неё были сформулированы в середине XVIII века. В 1752 году американский учёный Бенджамин Франклин в ходе эксперимента с воздушным змеем доказал электрическую природу молнии и предложил использовать заземлённый металлический стержень, возвышающийся над зданием, для отвода разряда. Такое устройство получило название «громоотвод» (или «франклинов стержень»). В России первая система молниезащиты была установлена в 1756 году на шпиле Петропавловского собора в Санкт-Петербурге по проекту М. В. Ломоносова и Г. В. Рихмана.

В XIX веке, с развитием электрификации и строительством высотных зданий, конструкции молниеотводов совершенствовались. В 1880-х годах были разработаны первые молниеотводы с тросовыми токоотводами. В XX веке, с появлением радиоэлектроники и сложной вычислительной техники, возникла необходимость в защите не только от прямого удара, но и от импульсных помех, наводимых молнией в электрических сетях. Это привело к созданию устройств защиты от импульсных перенапряжений (УЗИП).

В современной России нормативной базой для проектирования молниезащиты является «Инструкция по устройству молниезащиты зданий, сооружений и промышленных коммуникаций» (СО 153-34.21.122-2003), а также ряд национальных стандартов (ГОСТ Р МЭК 62305-1 и др.).

Классификация

Молниезащита подразделяется на внешнюю и внутреннюю.

Внешняя молниезащита

Внешняя система предназначена для перехвата прямого удара молнии и отвода её тока в землю. Она включает три основных элемента:

• Молниеприёмник — элемент, непосредственно принимающий удар молнии. Бывает стержневым (вертикальный стержень), тросовым (горизонтальный трос, натянутый над защищаемым объектом) или сетчатым (металлическая сетка, укладываемая на кровлю здания).
• Токоотвод (спуск) — проводник, соединяющий молниеприёмник с заземлителем. Обычно выполняется из стальной или медной проволоки диаметром не менее 6–8 мм. Количество токоотводов зависит от геометрии здания: для сооружений высотой более 30 метров их устанавливают не менее двух.
• Заземлитель — проводящая часть, находящаяся в непосредственном контакте с землёй. Может быть естественным (арматура фундамента, металлические трубопроводы) или искусственным (вертикальные или горизонтальные электроды, забитые в грунт). Сопротивление заземлителя не должно превышать 10 Ом для большинства объектов.

Внутренняя молниезащита

Внутренняя система защищает от вторичных проявлений молнии: импульсных перенапряжений, возникающих в электрических и информационных сетях, и электромагнитных полей. Она включает:

• Устройства защиты от импульсных перенапряжений (УЗИП) — устанавливаются на вводе в здание силовых и слаботочных линий (электропитание, телефон, интернет, сигнализация). По принципу действия делятся на разрядники (искровые промежутки) и варисторы (полупроводниковые элементы с нелинейной вольт-амперной характеристикой).
• Уравнивание потенциалов — соединение всех металлических частей здания (трубопроводов, арматуры, корпусов оборудования) с заземляющим устройством для предотвращения искрения между ними при протекании тока молнии.
• Экранирование — применение металлических экранов (кабельных лотков, коробов, фольги) для ослабления электромагнитного поля, создаваемого током молнии.

Принцип действия

При ударе молнии в молниеприёмник ток разряда (до 200 кА) проходит по токоотводу к заземлителю и рассеивается в грунте. Внутренняя система при этом обеспечивает, чтобы разность потенциалов между различными частями здания и заземлёнными элементами не превышала безопасного уровня (обычно менее 1 кВ). УЗИП ограничивают перенапряжение в сетях, отключая или шунтируя опасное напряжение на землю.

Применение

Молниезащита обязательна для всех зданий и сооружений, классифицируемых по степени опасности. В России выделяют три категории молниезащиты:

• I категория — объекты с взрывопожароопасными зонами классов B-I и B-II (нефтебазы, газохранилища, химические заводы). Требует обязательной установки внешней и внутренней защиты.
• II категория — объекты с взрывопожароопасными зонами классов B-Ia, B-Iб, B-IIa (склады горючих материалов, производственные цеха). Допускается использование стержневых и тросовых молниеотводов.
• III категория — жилые, общественные и административные здания высотой более 30 метров, а также здания с пожароопасными зонами (класс П-I, П-II). Для таких объектов достаточно внешней молниезащиты.

Кроме того, молниезащита является обязательной для:

• высотных зданий (выше 60 метров);
• объектов с массовым пребыванием людей (школы, больницы, торговые центры);
• телекоммуникационных вышек и антенн;
• объектов энергетики (подстанции, линии электропередачи).

Примеры и интересные факты

• Самое высокое здание в мире, оснащённое молниезащитой, — небоскрёб Бурдж-Халифа (828 м, Дубай). Его система включает стержневые молниеприёмники на шпиле и сетку на фасаде.
• В России одним из самых известных объектов с уникальной молниезащитой является Останкинская телебашня (540 м). На её шпиле установлены активные молниеприёмники, а токоотводы проходят внутри железобетонного ствола.
• В некоторых регионах мира (например, во Флориде, США) плотность ударов молнии достигает 10–20 разрядов на квадратный километр в год, что требует особо надёжных систем защиты.
• В 2019 году в Москве была введена в эксплуатацию система молниезащиты на строящемся небоскрёбе «Лахта Центр» (462 м, Санкт-Петербург), которая включает более 20 км токоотводов.

Критика и ограничения

Несмотря на высокую эффективность, молниезащита не гарантирует 100% безопасности. При экстремальных разрядах (свыше 200 кА) или при повреждении элементов системы (коррозия, обрыв проводников) возможен пробой изоляции или возгорание. Кроме того, активные молниеотводы (с ионизацией воздуха) вызывают споры среди специалистов: их эффективность не всегда подтверждается независимыми испытаниями. В России использование активных систем допускается, но не рекомендуется для объектов I категории.

Источники

• Инструкция по устройству молниезащиты зданий, сооружений и промышленных коммуникаций (СО 153-34.21.122-2003).
• ГОСТ Р МЭК 62305-1-2010 «Защита от молнии. Часть 1. Общие принципы».
• ГОСТ Р 50571.18-2000 «Электроустановки зданий. Часть 5. Выбор и монтаж электрооборудования. Глава 54. Заземляющие устройства и защитные проводники».
• Учебное пособие «Молниезащита зданий и сооружений» (М. А. Берлин, 2015).
• Статья «Молниезащита: история и современность» (журнал «Энергобезопасность», № 3, 2020).