Токоотводы в системе молниезащиты

В системе внешней молниезащиты токоотвод выступает важным связующим звеном между молниеприемником и заземлителем. По нему отводится ток молнии в случае ее прямого удара в молниеприемник. Поэтому от исправности, целостности и правильного расположения токоотвода, называемого также заземляющим спуском, зависит, рассеится ли в грунте полученный молниеприемником электрический разряд. Проводник должен быть изготовлен из материала, способного выдерживать значительный нагрев при прохождении тока молнии. Повреждений при воздействии внешней среды в процессе эксплуатации можно избежать, если использовать проводники из оцинкованной стали, нержавеющей стали, омедненной стали, меди или алюминия. Надежность и механическая прочность токоотвода гарантированы в случае соответствия его характеристик установленным значениям минимального сечения – от 16 до 50 кв.мм. в зависимости от металла. Выбирая из множества вариантов проводников от EZETEK, можно быть уверенным, что они соответствуют официальным стандартам.

Одно из самых распространенных решений – монтаж токоотводов из стального оцинкованного прутка диаметром 8 мм (арт. 90757, арт. 90737) и 10 мм (арт. 90738). Альтернативой ему выступает более устойчивый к коррозии пруток из омедненной стали диаметром 8 мм (арт. 90753, арт. 50352) и 10 мм (арт. 50362). Стальной нержавеющий пруток диаметром 8 мм (арт. 50326) и 10 мм (арт. 50336) также может успешно применяться в качестве проводника электрического тока. Медный пруток диаметром 6 мм (арт. 90736), 8 мм (арт. 90735) и 10 мм (арт. 90734) отличается сравнительно высокой стоимостью и долговечностью.

Корректное определение необходимого количества и мест размещения токоотводов способствует формированию работоспособной системы молниезащиты. На количество спусков влияет размер сооружения, особенности его конструкции и характеристики кровли. Если периметр защищаемого объекта велик, одного токоотвода не будет достаточно для снижения вероятности опасного искрения. При необходимости установки более чем одного токоотвода проложить их следует на определенном удалении друг от друга. Расстояние между вертикальными проводниками по периметру объекта зависит от его категории защиты, определяемой СО 153-34.21.122-2003, и может варьироваться от 10 до 25 метров. Оно увеличивается с шагом в 5 метров при уменьшении категории молниезащиты от первой к четвертой. Расстояние между токоотводом и дверным проемом или оконной рамой должно быть максимально возможным.

С молниеотводом или молниеприемником токоотвод стыкуется при помощи хомута или параллельного зажима, в зависимости от диаметра этих элементов. Для соединения проводников между собой используются зажимы, которые позволяют компоновать прутки и полосы в параллельном, перпендикулярном или произвольном направлениях. Фиксация токоотвода на фасаде здания осуществляется при помощи держателей из металла или пластика. Однозначно не рекомендуется прокладывать токоотвод непосредственно на поверхности, которая может легко воспламениться. Между проводником и горючим материалом, на котором закреплен токоотвод, и для которого повышение температуры токоотвода критически опасно, должно быть соблюдено расстояние не менее 100 мм. Для таких случаев подходят держатели на шпильке для круглого и плоского проводника, выполненные из оцинкованной стали или меди. Для закрепления токоотвода на внешней части водосточной трубы можно использовать соответствующий стальной оцинкованный или медный держатель EZETEK (арт. 91061, арт. 91060). Зажимы и держатели производства EZETEK позволяют надежно соединить и закрепить токоотводы на фасаде так, чтобы избежать нарушений электрической непрерывности между элементами системы молниезащиты.

Требования к элементам внешней молниезащиты

Часть I. Механические и химические испытания

Компоненты, применяемые при монтаже системы внешней молниезащиты должны отвечать определенным механическим и электрическим требованиям, которые определены в серии стандартов EN 50164-X. Компоненты молниезащиты поделены на категории в соответствии с их функциями, например, соединительные компоненты (EN 50164-1), проводники и заземляющие электроды (EN 50164-2).

Испытания традиционных компонентов молниезащиты

Металлические компоненты молниезащиты (клеммы, токоотводы, молниеприемники, заземляющие электроды), которые не защищены от атмосферных воздействий, должны быть подвергнуты искусственному старению созданием условий для тестирования, чтобы проверить их пригодность для применения по назначению. В соответствии с EN 60068-2-52 и BS EN ISO 6988 металлические компоненты подвергаются искусственному старению и проверяются в два этапа.

Влияние естественных атмосферных условий и воздействие коррозии на компоненты молниезащиты

Этап 1: Воздействия соляным туманом

Это испытание предназначено для компонентов или устройств, которые разработаны с характеристиками устойчивости к воздействию соляной атмосферы. Испытательное оборудование состоит из камеры соляного тумана, где испытывают образцы по второму уровню жесткости в течение более 3-х дней. Уровень жесткости 2 включает три фазы распыления по 2 часа каждая, при этом используется 5% раствор поваренной соли (NaCl) при температуре между 15 и 35 градусов Цельсия, за этим поддерживается относительная влажность 93 +2-3% и температура 40 градусов Цельсия в течение 20-22 часов в соответствии с EN 60068-2-52.

Этап 1: Обработка влажной сернистой атмосферой

Это испытание предназначено для оценки устойчивости материалов или объектов к конденсированной влажной атмосфере, содержащей диоксид серы в соответствии с BS EN ISO 6988. Испытательное оборудование состоит из тестовой камеры, где на образцы воздействует атмосфера с концентрацией диоксида серы 667 ppm (по объему) в течение семи циклов. Каждый цикл имеет продолжительность 24 часа и состоит из периода нагрева в течение 8 часов при температуре 40 градусов Цельсия во влажной насыщенной атмосфере, после которого следует перерыв на 16 часов. После этого влажная сернистая атмосфера заменяется. Искусственному старению подвергаются компоненты как для наружной установки, так и для установки в земле. Для компонентов, заглубляемых в землю, должны быть рассмотрены дополнительные требования и меры. Алюминиевые клеммы и проводники не допускается устанавливать в земле. Если в земле должны быть установлены элементы из нержавеющей стали, должна применяться только высоколегированная сталь, например марки V4A. В соответствии с DIN VDE 0151 установка нержавеющей стали марки V2A не допустима.

Компоненты, предназначенные для установки внутри помещения, не требуется подвергать искусственному старению. Также это справедливо для компонентов, которые должны устанавливаться внутри бетона. поэтому эти компоненты часто выполняют из черно не гальванизированной стали.

Молниеприемные системы, молниеприемные стержни

В основном молниеприменые стержни используют как молниеприемные системы. Они доступны в различных вариантах исполнения, например, это может быть молниеприемник высотой 1 метр для установки на бетонном основании на плоских кровлях или телескопическая молниеприемная мачта высотой 25 метров для защиты резервуаров с топливом.

EN 50164-2 определяет минимальные поперечные сечения и допустимые материалы с соответствующими электрическими и механическими свойствами для молниеприемных стержней.

Для молниеприемников большой высоты гарантия устойчивости к изгибу и устойчивость всей системы в целом (молниеприемника на треноге) должна быть обеспечена статистическими расчетами. Требования к поперечным сечениям и материалам должны основываться на этих вычислениях. Также в этих расчетах должна учитываться скорость ветра, которая соответствует определенной зоне ветровой нагрузки.

Соединительные компоненты

Соединительные компоненты, или как их часто называют клеммы, используются как компоненты молниезащиты для соединения проводников (молниеприемников, токоотводов, вводов в землю) друг с другом или для присоединения к элементам объекта. В зависимости от типа и материала клемм доступен большой выбор их комбинаций. Направление прокладки проводника и допустимые комбинации материалов будут определяющими факторами в этом отношении. Тип прокладки проводника показывает как клемма соединяется с проводником или соединяются проводники при параллельной прокладке или перпендикулярном пересечении. В случае протекания тока молнии клеммы подвергаются электродинамическому и термическому воздействию, которые сильно зависят от типа прокладки проводника и клеммного соединения. Ниже в таблице указаны материалы, которые можно соединять без образования коррозии в месте контакта.

При соединении разных материалов с их индивидуальной механической прочностью и теплопроводящими свойствами в случае воздействия тока молнии будут наблюдаться разные эффекты на соединительны компонентах. Это особенно очевидно для соединений из нержавеющей стали, где из-за низкой проводимости возникают высокие температуры при протекании тока молнии. Поэтому испытание током молнии в соответствии с EN 50164-1 должно быть проведено для всех клемм. Чтобы проверить худший случай, должны быть проверены не только разные комбинации проводников, но и комбинации материалов, определенные производителем.

Особенности испытаний на примере MV клеммы.

В начале определяется количество комбинаций для испытания. Рассматриваемая MV клемма выполнена из нержавеющей стали и, следовательно, может соединяться с проводниками из стали, алюминия, нерж.стали и меди, как указано в таблице выше. Кроме этого соединение может быть крестообразным и параллельным, что и должно быть испытано. Это означает, что есть восемь возможных комбинаций для используемой MV клеммы.

В соответствии с EN 50164 каждая из этих тестовых комбинаций должна быть испытана с тремя подходящими образцами-сборками для испытаний. Это означает, что 24 экземпляра этой MV клеммы должны быть испытаны, чтобы закрыть полный диапазон. Каждый образец монтируется с требуемым моментом затяжки и подвергается искусственному старению в солевом тумане и влажной сернистой атмосфере, как описано выше. Для последующего электрического теста образцы закрепляются на изолированной пластине.

На каждый образец подается три импульса тока тока молнии с формой волны 10/350 мкс с амплитудой тока 50 кА (Нормальный режим) и 100 кА (Тяжелый режим). После испытания током молнии образцы не должны иметь признаков повреждения. Переходное сопротивление (измеренное поверх клеммы) для клемм из нержавеющей стали не должно превышать 1 мОм в случае нормального режима и 2,5 мОм в случае тяжелого режима. При этом должен быть соблюден требуемый момент затяжки. Для каждой тестовой комбинации должен быть подготовлен заводской протокол испытаний, который обычно предоставляется по запросу или выкладывается в открытый доступ изготовителями.

Следовательно, установщики систем молниезащиты должны выбрать соединительные компоненты для режима эксплуатации H или N, который ожидается в месте установки. Например, зажим для тяжелого режима H (100 кА) должен применяться для молниеприемников (полный ток молнии), а зажим для нормального режима N (50 кА) для молниеприемной сетки или вводе в землю (ток молнии уже распределен).

Проводники

EN 50164-2 также устанавливает специальные требования к проводникам, таким как молниеприемники и токкотводы или заземлители, например, кольцевые заземлители:

• механические свойства (минимальный предел прочности, минимальное растяжение)
• электрические свойства (максимальное удельное сопротивление)
• устойчивость к коррозии (искусственное старение)

Механические свойства должны испытываться и измеряться. Рис. показывает испытательную установку для определения предела прочности круглых проводников (например, алюминиевых). Важным является качество покрытия (гладкое, непрерывное), а также минимальная толщина и адгезия к основному материалу и должно быть проверено с особой тщательностью, если используется гальванизированная сталь (St/tZn).

Это описано в стандарте в описании теста на изгиб. С этой целью образец изгибают с радиусом эквивалентности 5-ти кратному превышению его диаметра на угол 90 градусов. При этом у образца не должно образоваться острых краев, произойти излом или отслаивание. Кроме того, для установки систем молниезащиты обработка материалов проводников должна быть легкой и простой. Круглые проводники или полосы (бухты) как предполагается должны легко выравниваться специальным приспособлением (роликовой машинкой для выравнивания) или путем скручивания. Также проводники должно быть легко устанавливать/сгибать при монтаже на объектах и в земле. Эти стандартные требования должны быть отражены в документации производителя.

Заземляющие электроды / заземляющие стержни

Составные стержни заземления DEHN сделаны из специальной стали и полностью обработаны методом горячего оцинкования или выполнены из высоколегированной стали (V4A). Соединительный узел, который обеспечивает соединение стержней без увеличения диаметра, является отличительной особенностью этих заземляющих стержней. Каждый стержень с одного конца имеет отверстие, а на другом штифт.

EN 50164-2 определяет требования к электродам заземления, такие как материал изготовления, геометрические размеры, а также механические и электрические свойства. Соединительные узлы стыковки отдельных стержней являются слабым местом. Поэтому EN 50164-2 требует, чтобы были выполнены дополнительные механические и электрические испытания, чтобы проверить качество этих соединительных узлов.

Для испытания стержень закрепляют в направляющем приспособлении с металлической пластиной, служащей зоной удара. Образец состоит из двух соединенных стержней длиной 500 мм каждый. Должны быть испытаны три образца каждого типа заземляющих стержней. На верхний конец образца воздействуют вибромолотом с подходящим ударным наконечником с темпом ударов 2000 +- 1000 1/мин и кинетической энергией 50 +- 10 Нм.

Если соединения прошли этот тест без видимых дефектов, они подвергаются искусственному старению солевым туманом и влажной сернистой атмосферой. Затем на соединения подаются три импульса тока молнии с формой волны 10/350 мкс по 50 кА и 100 кА. Переходное сопротивление (через соединение) стержней из нержавеющей стали не должно превышать 2,5 мОм. Для того, чтоб проверить достаточно ли прочно соединение после воздействия тока молнии, соединение испытывают в испытательной установке на предел прочности.

Внедрение функциональной системы молниезащиты требует применения компонентов и устройств испытанных согласно нормативам. Компоненты должны быть отобраны и должным образом применены проектировщиком системы молниезащиты в соответствии с требованиями на месте установки. В дополнение к механическим критериям рассматриваемым в первую очередь, всегда необходимо не забывать об электрических критериях, используемых при проектировании систем молниезащиты.

Состав системы молниезащиты по стандартам IEC (МЭК)

Комплексная молниезащита отводит и нейтрализует прямые атмосферные разряды, защищает от грозовых и импульсных перегрузок во внутренних сетях зданий.

Элементы системы

• Молниеприемник (1). Внешний элемент, который непосредственно принимает разряд.
• Токоотвод (2). Перенаправляет ток молнии от приемника к заземлению.
• Заземление (3). Нейтрализует энергию разряда, равномерно распределяя ток в земле, обеспечивает безопасное функционирование электросетей.
• Система уравновешивания потенциалов. Устранение разности потенциалов между заземлением, электрооборудованием и токопроводящими элементами здания.
• Устройства для защиты от перенапряжений. Разрядники ограничивают импульсные перенапряжения в электросетях, защищают электронику и телекоммуникации.

Принципы работы системы молниезащиты

Главная задача защитной системы — улавливание атмосферных разрядов, метящих в здание. Процесс состоит из трех этапов:

• прием молнии;
• отвод тока;
• рассеивание в грунте.

Эффективная молниезащита не только безотказно выполняет свои основные функции, но также исключает тепловые, электрические и механические побочные эффекты, которые зачастую приводят к повреждениям здания, провоцируют появление опасного для жизни контактного или шагового напряжения во внутренних помещениях.

Молниеприемники и токоотводы

Это система молниеприемных конструкций, организованная с соблюдением требований МЭК. Проводники устраиваются на кантах, ребрах и коньках крыши, соединяются с молниеприемными стержнями, которые устанавливаются на выступающих вертикальных элементах кровли. Для крепления проводников, токоотводов и стержневых конструкций разработаны специальные держатели. В целях повышения эффективности и безопасности все соединения выполняются клеммами и особыми соединителями.

Заземление

В зависимости от особенностей объекта используются круглые или плоские заземляющие проводники, а также специальные заземлители. Предпочитаю также использовать естественные заземлители: железобетонные фундаменты, металлические трубы в земле, арматура.

Выравнивание потенциалов

Система соединяет между собой заземляющее устройство и все металлоконструкции и проводники, требующие заземления. Для наилучшего контакта и долговечности соединений используются шины, специальные хомуты, клеммы и другие соединительные приспособления.

Защита от внутренних перегрузок

Это так называемые разрядники, которые подключаются согласно методическим рекомендациям и требованиям IEC. Они ограничивают перенапряжение, защищают телекоммуникационные и электросети, а также оборудование и внутренние системы в здании.

Преимущества современной системы молниезащиты

• Высокий уровень безопасности зданий и электроустановок.
• Молниезащита без нарушения архитектурной концепции.
• Допускается применение на любых объектах.
• Организация системы допускается на всех этапах стройки, в том числе на готовых зданиях.
• Используются элементы заводской готовности, которые обеспечивают оперативный и технологичный монтаж.
• Все элементы выполнены из антикоррозионных материалов. Благодаря этому система долговечна и надежна.

Использование качественных материалов и соблюдение всех требований стандартов МЭК обеспечит высокую степень защищенности здания от прямых разрядов молнии и от перегрузок электросетей.

О молниезащите / Внутренняя молниезащита

Механизм разряда молнии достаточно изучен, однако природа часто преподносит сюрпризы и в некоторых случаях даже профессионалы оказываются в тупике. Эффективная система грозозащиты включает внешнюю молниезащиту и внутреннюю. Первая защищает от прямого удара молнии в дом, строение или какой-нибудь объект (спутниковую антенну, памятник, резервуар с топливом и т.п.). При этом специалисты давно уже знакомы с возможным распространением тока молнии по подземным и надземным коммуникациями типа трубопроводов и коммуникационных сетей. Они научились надежно защищать человека и его имущество от прямого поражения молнией. В соответствии с действующими отечественными нормативными актами определяются категории защиты от прямого удара молнии и выполняется расчет молниезащиты.

Словосочетание внутренняя молниезащита для многих не совсем непонятно. Молния не может проникнуть внутрь строения через оконное стекло, вентиляцию или дымоход, поэтому многие не понимают, зачем нужно создавать внутреннюю защиту и что можно считать эффективной внутренней грозозащитой. Благодаря работоспособной внешней молниезащите электрический разряд улавливается громоотводом и по токоотводам направляется через специальные заземления для рассеивания в земле. Однако вся совокупность этих мероприятий и устройств не спасает от возникающего во время этого процесса электромагнитного поля. Оно может с легкостью проникать глубоко внутрь здания и становится причиной выхода из строя бытовой электроники, а также сложных микропроцессорных агрегатов. Электромагнитное поле способно повредить работу автоматики и стать причиной ложных или некорректных команд в системах управления. Надежно защитить все чувствительное электронное оборудование, расположенное внутри здания, позволяет именно система внутренней молниезащиты.

Внутренняя молниезащита: жизненно необходимая безопасность

Опытные специалисты считают разделение молниезащиты на внешнюю и внутреннюю условным. Сила негативного влияния электромагнитного поля внутри дома напрямую зависит от траектории распространения молнии и путей растекания тока. Наглядным примером этого является не выдуманный пример из жизни. Иностранными архитекторами на территории нашей страны было спроектировано и построенное интересное здание высотой с телебашню. В качестве изысканного декора очертания постройки архитекторы использовали тонкий шпиль установленный вертикально. Основание шпиля было на уровне земли, а вершина превышала кровлю на 50 м. Такое решение архитекторов не вызвало негативных отзывов у электриков, а даже наоборот понравилось им.

Статистика утверждает, что в центрально-европейской части России в 350-метровые постройки молния бьет в среднем 10-15 раз за сезон гроз. Согласно наблюдениям всего две из них имеют стандартный механизм разряда, то есть формируются в грозовом облаке и по плазменному каналу стремятся вниз к земле. Все оставшиеся образуются в верхней точке самого здания и устремляются от него вверх к грозовому облаку. Это явление получило название «восходящие молнии». В связи с тем, что место зарождения и старта молнии находится на вершине сооружения ее легко перехватывать. Казалось бы, громоотвод не нужен, его функции заменил шпиль.

Проблема была выявлена после детального разбора и анализа сложившейся ситуации. Шпиль находился у задней стенки конструкции. Из-за сильно выраженной несимметричной геометрии здания получилось, что разряд молнии концентрированным потоком направлялся к земле по задней стенке. При этом он создавал магнитное поле огромной силы, которое ничем не компенсировалось. Мощное электромагнитное поле создавало большую опасность для внутренней электросети постройки. Поэтому проектировщикам пришлось создать сложную систему внешней молниезащиты, которая позволяла бы снизить величину суммарного электромагнитного поля. Все их старания все же не помогли полностью защитить электрооборудование в этом здании и профессионалам пришлось заниматься проектированием и монтажом элементов внутренней молниезащиты.

Вторым ярким примером, важности грамотной организации внутренней защиты может служить резервуар с жидким топливом, который размещается под открытым небом. Данный объект спроектирован таким образом, что он не боится прямого разряда молнии. Однако даже тут во время грозы нередко регистрируются серьезные пожары. Тяжелые аварии случаются из-за воспламенения над дыхательным клапаном резервуара горючих газообразных выбросов. Это происходит в случае, когда неидеальная система преграждения пламени пропускает его внутрь резервуара. Специально на эти случаи данные объекты оснащаются автоматической пожарной сигнализацией и системой пожаротушения. Во время аварий электромагнитное поле, созданное током молнии, является причиной выхода из строя этих систем и первопричиной серьезных аварий. 

Устройства защиты от импульсных перенапряжений

Даже грамотно выполненные мероприятия по проектировке защиты от негативного воздействия разряда молний и правильный расчет молниезащиты не позволяет на 100 % защитить внутренние электрические цепи от разрушающего действия электромагнитного поля. Основным элементом внутренней защиты являются устройства, предотвращающие импульсные перенапряжения (УЗИП) и специальные металлические экраны. Главной функцией УЗИП является преграждение распространения высоких потенциалов на пути к подключенному электрооборудованию. Из-за огромного разнообразия электроприборов, которые нуждаются в защите, ведущие производители УЗИП предлагают самые разные конфигурации этих устройств. Для этих изделий они вынуждены выделять отдельные крупноформатные тома и купить комплектующие молниезащиты по ним без детальной консультации бывает достаточно тяжело.

УЗИП необходимы для предотвращения проникновения по электрическим цепям перенапряжения к электробытовым приборам. Механизм их действия заключается в быстром прерывании электродуги сопровождающего тока, а это в некоторых случаях очень сложно. Требования к этим защитным устройствам достаточно жесткие. Некоторые изделия должны безупречно с высокой надежностью выполнять свои функции, несмотря на свои миниатюрные габариты и огромное количество защищаемых микросхем. От этого часто зависит не только безопасность и стабильное функционирование объекта, но и жизни многих сотен и тысяч людей.

Большинство мировых производителей УЗИП для грозозащиты имеют специальные исследовательские и испытательные лаборатории, которые ищут пути решения проблемы надежности самых миниатюрных УЗИП. В испытательных комплексах моделируется все возможные негативные воздействия разряда молнии на защитные устройства. Кроме того, специалисты этих отделов решают вопросы совместимости УЗИП с высокочастотными агрегатами (каналами передачи информации, системами телевизионной охраны предприятий и т.п.). Поэтому толстые каталоги производителей – это скорее залог успешной реализации самого сложного проекта грозозащиты. Ведь они точно гарантируют, что нужные комплектующие молниезащиты купить будет просто.