Сучасні системи блискавкозахисту

Стрижневі вертикальні заземлювачі

Різновиди заземлювачів

Заземлювачі в системах захисту від блискавок бувають як природними - коли в їх ролі виступають металеві та залізобетонні конструкції споруд, які перебувають у контакті з землею, – так і штучними. Нормативна база України надає перевагу природним заземлювачам, штучні ж рекомендовані у випадках, коли застосування природних з якихось причин неможливо.

Горизонтальні заземлювачі необхідно розташовувати на глибині не менше півметра від рівня землі. На практиці їх розміщують нижче - від 0,7 до 1 м, залежно від рівня промерзання грунту. Променеві вертикальні, горизонтальні або нахилені електроди розташовують на відстані не менше 1 м від фундаменту споруди.

Вимоги до матеріалів і перетинів елементів системи заземлення блискавкозахисту наводяться в національному та міжнародному стандартах. Згідно до норм міжнародного стандарту IEC 62305, застосовуються два основні типи (А і В) розміщення заземлюючих електродів. Графік для визначення мінімальної довжини L1 заземлювачів відповідно до рівня захисту і в залежності від питомого опору грунту наведено на малюнку. Бачимо тут, що для рівнів захисту III і IV довжини не залежать від питомого опору грунту. При цьому кожен струмовідвід слід приєднати принаймні до одного заземлювача. На споруді їх повинно бути не менше двох. Мінімальна довжина для кожного заземлювача становить: L1 – для радіальних горизонтальних електродів; 0,5 L1 – для вертикальних (або нахилених) електродів; якщо місце розташування цього типу заземлювачів створює небезпеку для людей або тварин, потрібно застосовувати певні засоби і заходи. Коли в разі хорошої провідності грунту сягається значення опору менше 10 Ом, допускається відійти від вимог до мінімальної довжині електрода. Заземлювачі цього типу відповідають грунтам з низьким питомим опором і невеликим спорудам. У цих випадках вертикальні електроди є більш ефективними економічно і дають стабільні величини опорів заземлення порівняно з горизонтальними електродами. Для комбінованого заземлення довжини радіальних і вертикальних електродів враховуються разом. Тип В включає контурні і фундаментні заземлювачі. Для цього типу спочатку перевіряють виконання умови, щоб еквівалентний радіус r зони, яка охоплює контур, був не меншим, ніж величина L1: r ≥ L1. Як і раніше, L1 визначають для відповідного рівня захисту і величини питомого опору грунту за допомогою діаграми, наведеної на малюнку. Якщо необхідна величина L1 є більшою, ніж практично прийнятна величина r, тоді влаштовують додаткові радіальні або вертикальні (або похилі) електроди, індивідуальні довжини яких Lr (горизонтальних) і Lv (вертикальних) визначають за такими виразами:

Lr = L1-r і Lv = О, 5 (L1-r)

При підборі глибини розташування і типу електродів слід мінімізувати вплив корозії, висихання і замерзання грунту, тобто стабілізувати еквівалентний опір. При промерзанні грунту для вертикальних заземлювачів часто рекомендують не враховувати його верхню частину товщиною 1 м як недостатньо ефективну. Для товстих шарів скель (навіть з тонким шаром грунту) влаштовують заземлювач тільки типу В. Стосовно ж до природних заземлювачів, найчастіше це – наявні металеві частини (шпунти зміцнення фундаментів, труби свердловин), арматура залізобетонних конструкцій і т. ін. Слід перевірити, чи є перетин та інші параметри прийнятними для використання їх у якості заземлювачів. Також у разі використання арматури залізобетонних конструкцій особливу увагу слід приділити місцям з’єднань (надійність електричних контактів, нерозривність електричного кола), щоб не допустити механічного розколювання бетону внаслідок дії струму. Зокрема, це стосується випадків використання попередньо напруженого бетону, коли протікання струму блискавки може викликати неприпустимі механічні навантаження.

Перевірка систем захисту від блискавок

Матеріали струмовідводів і заземлювачів

Стосовно до вибору матеріалів для струмовідводів і заземлювачів, вітчизняний норматив для облаштування блискавкозахисту будівель і споруд містить вимоги тільки для сталевих, мідних і алюмінієвих провідників. У міжнародному нормативі більш докладно обговорюється можливість використання різних матеріалів (мідь, сталь з покриттям шляхом гарячого оцинкування, нержавіюча сталь, свинець тощо). Значна увага приділяється питанням зменшення корозії. Алюміній не можна використовувати в грунті, а в бетоні найдоцільніше використовувати оцинковану сталь. Є також чимало тонкощів у питанні сполучення різнорідних матеріалів у повітрі, при прокладці одного з них або обох у бетоні і в грунті, при функціонуванні поблизу системи електричного захисту від корозії і т.п. З'єднання провідників з різних матеріалів можна здійснювати шляхом зварювання, пайки, використання біметалевих з'єднувачів та ін. Місця зварювання і з'єднань у грунті провідників, навіть вироблених з однакових матеріалів, додатково захищають антикорозійними пастами, аерозолями, бандажною стрічкою і т.п. При розробці складних проектів слід залучати фахівців з питань корозії. У місцевостях з високим питомим опором грунту для досягнення необхідної величини опору заземлення іноді використовують спеціальні розчини або суміші, які з часом твердіють. Важливо перед використанням перевірити їх і переконатися в наявності відповідних сертифікатів їхньої ефективності, оскільки застосування неякісних речовин може привести надалі до різкого погіршення (збільшення) опору заземлення, посилення корозійних процесів, негативних екологічних впливів та ін. Якщо порівняти мінімальні перетини сталевих провідників за вітчизняним і міжнародним стандартами, можна бачити, що вони досить близькі між одне до одного, хоча і є певні відмінності.

Приклади та особливості пристрою деяких видів заземлювачів і струмовідводів

Стрижньові вертикальні заземлювачі

Контурні заземлювачі

Для заземлювачів звичайного поглиблення звичайно використовують цілісні стрижні довжиною від 1 до 3,5 - 5 м. Найчастіше зустрічаються профілі стрижнів у вигляді кола, труби, кута, хреста, тавра. Їх перетини, зрозуміло, повинні забезпечувати механічну міцність при забиванні і тривалий термін служби з урахуванням корозії. Приєднання провідників заземлення до таких заземлювачів здійснюють зварюванням (наприклад, екзотермічним способом), болтовим з'єднанням до заздалегідь приварених пластин на стрижнях або за допомогою спеціальних затискачів (які дозволять з'єднати круговий стрижень з провідниками з дроту або смуги). Стрижні з уже привареною смугою або круглим дротом довжиною 2 - 3 м можна приєднувати безпосередньо до контрольного роз'єму. Матеріали вибирають з урахуванням конструкції всієї системи блискавкозахисту, умов оточення (атмосфера, стіни, грунт) струмовідводів і заземлення, корозійної сумісності і т. п. Для вказаних глибин частіше використовують оцинковані або звичайні сталеві стрижні (в тимчасових або дешевих конструкціях задовольняються кутом 40 х 40 х 4 мм або арматурою діаметром приблизно від 14 мм з «чорної» стали). Іноді для таких заглиблень набирають стрижні з кількох коротких круглих електродів довжиною від 1,5 до 2 м. Їх зручно транспортувати, вони мають спеціальні вузли для легкої збірки при монтажі. Але важливо, щоб конструкція цих вузлів забезпечувала надійні з'єднання. Щоб уникнути можливих проблем через ненадійність контактів у з'єднаннях, використовують рішення, у яких попереду першого стрижня встановлена голівка з привареною металевою смугою. Під час забивання в грунт набраних стрижнів один кінець смуги затягують на потрібну глибину. Після цього короткий верхній стрижень слід видалити. Таким чином забезпечують прокладку заземлюючого контрольного роз'єму без розривів до заземлювачів. У цьому випадку вимоги до стержнів і вузлів з'єднань можна спростити. Глибинні заземлювачі, які вводять у грунт на десятки метрів, зазвичай роблять з використанням згаданих коротких електродів, якими набирають необхідну довжину. Забивання здійснюється за допомогою вібромолоту. В цьому випадку стрижні повинні бути досить міцними (найчастіше це сталеві оцинковані або обміднені, діаметром від 15 до 25 мм). До вузлів з'єднань також пред'являють підвищені вимоги. Короткі стрижні мають з одного кінця круговий або багатогранний виступ, а з іншого – відповідне поглиблення, яке дозволяє з натягом вставити виступ від суміжного стрижня. У парку Варшавської Політехніки поблизу електротехнічного корпусу з трави визирають верхівки трьох металевих стрижнів. «Не було сенсу бити далі, тому що ось ці два почали вже згинатися», – так пояснював пан доцент Лобода результати натурних випробувань механічних характеристик систем глибинних заземлювачів.

Іноді з'єднання стрижнів здійснюють шпильками з різьбленням, які вкручують у різьбові отвори стрижнів. Використовують також конструкції з'єднань за допомогою муфт. У цьому випадку на кінцях стрижнів різьблення розташована на зовнішній поверхні, а муфти мають внутрішнє різьблення. При цьому зовнішній діаметр муфт трохи більше діаметра стрижнів, що дає і позитивні і негативні наслідки при влаштуванні заземлення. На сталевих стрижнях з цинковим покриттям останнє повинне бути вироблено гарячим способом (товщина покриття від 25 до 60 мкм). Обміднені сталеві стрижні високої якості зазвичай мають покриття з електролітичної чистої міді (99,9%) товщиною не менше 0,25 - 0,5 мм. В окремих спеціальних випадках глибинні заземлювачі реалізують у вигляді свердловин зі сталевими трубами. Такий підхід є досить дорогим, вимагає використання машин для буріння і т.п., але на це йдуть для досягнення потрібних малих стабільних величин опору заземлення. Найкраще, звичайно, якщо на об'єкті вже існує така свердловина і її трубу можна одночасно використовувати і як заземлитель. У випадках, коли громіздку бурильну техніку застосувати неможливо (наприклад, пристрій заземлення в тісному підвалі вже існуючої будівлі), оптимальною залишається згадана технологія з використанням стрижнів, які поступово набираються в довгий заземлювач під час забивання.

Контурні заземлювачі

Коли будинок займає площу в кілька сотень метрів, контурні заземлювачі є досить ефективними і навіть у грунтах з низькою провідністю забезпечують необхідну величину опору заземлення. Наприклад, у хмарочосі Мінтрансу України, розташованому на проспекті Перемоги, опір змонтованого контурного заземлення становить менше 1 Ом. Цікаво, що глибинний стрижневий зазамлювач у тому ж ґрунті не «дотягнув» і до 10 Ом! Потреба в додаткових стрижневих заземлювачах виникає переважно для невеликих об'єктів. Контурні заземлювачі зручно закладати відразу з початком будівництва або перебудови споруди. При цьому важливо, крім правильного вибору матеріалу і перетину, забезпечувати поглиблення на 0,5 - 1 м і відступ від стін (фундаментів) не менше ніж на 1 м.

Фундаментні заземлювачі

Нижче наведено приклад економічного, надійного і ефективного фундаментного заземлення для споруд котеджного типу. Для цього досить зробити траншею для фундаменту на 10 см глибше. На її дно через кожні 2,5 - 3 м забивають дистанційні елементи у вигляді спеціальних кілочків-фіксаторів. Сталеву смугу перетином 40 x 4 мм або круглий дріт діаметром 10 мм щільно закріплюють у пази на верхівках кілочків таким чином, щоб вони були на 5 - 8 см вище рівня грунту. Від смуги (дроту) роблять відводи до контрольних затискачів (або струмовідводів) і до шини зрівнювання потенціалів, після чого на дно траншеї укладається десятисантиметровий шар рідкого бетону. Бетон запобігає проникненню до заземлювачів вологи та кисню, разом з цинковим покриттям сталевих елементів істотно сповільнює корозію. Використовуючи як заземлювач монолітний залізобетонний фундамент, необхідно забезпечити надійне електричне з'єднання окремих фрагментів арматури між собою і з струмовідводами. Найкраще для цього використовувати спеціальні з'єднувачі, які пройшли стандартні випробування.

Фундаментні заземлювачі

Безпечна відстань від струмовідводів

Як елементи системи заземлення, так і дроти зовнішнього блискавкозахисту слід розташовувати на достатній відстані від електричних комунікацій і чутливого електрообладнання (як ззовні, так і всередині споруди). Нехтування вимогами безпечної відстані найчастіше призводить до пошкодження апаратури офісних телефонних і комп'ютерних мереж під час грози. Нерідко доводиться допрацьовувати існуючу блискавкозахист внаслідок появи на даху додаткового обладнання (системи вентиляції та кондиціонування, приймально-передавальні пристрої тощо). Деяке обладнання вимагає ізольованої системи блискавкозахисту. Іноді треба якомога простіше (без розтяжок) додатково зафіксувати тонкий і довгий блискавкоприймальник, не приєднуючи його металевими елементами до обладнання на даху. У таких випадках рекомендується застосовувати системи ізоляційних елементів виробництва відомих фірм-виробників – наприклад, німецької компанії «OBO Вatterman СmbH & Со.», – за допомогою яких можна закріплювати блискавкоприймач окремо або безпосередньо на об’єкті, який підлягає захисту.

Перевірка систем захисту від блискавок

Перевірка величини опору заземлення та стану заземлювачів виконується як складова частина процедури перевірки і обслуговування системи блискавкозахисту. Згідно з ДСТУ Б В.2.5-38:2008 перевірки виконуються при введенні об'єкта до експлуатації; до того ж, проводиться періодичний щорічний контроль перед початком періоду грозової активності та позаплановий - при спрацьовуванні системи блискавкозахисту, після внесення змін до системи блискавкозахисту, будь-яких ушкоджень об’єкту, який захищають, а також при проведенні поблизу нього земляних робіт. Зокрема, перевіряють цілісність і захищеність від корозії видимих ​​частин блискавкоприймачів і струмовідводів і контактів між ними, а також величину опору току розтікання. Ця величина не повинна перевищувати більш ніж у 5 разів результати відповідних вимірювань на стадії приймання.

Згідно зі стандартами МЕК, візуальне обстеження повинно виконуватися не рідше одного разу на рік. У зонах з важкими погодними та іншими умовами такі обстеження рекомендується проводити частіше. Повна перевірка і випробування (вимірювання) проводяться з інтервалами від 2 до 6 років залежно від класу захисту. Критичні компоненти, наприклад, частини системи блискавкозахисту, на які діють великі механічні сили, обмежувачі перенапруг, елементи системи зрівнювання потенціалів кабелів і труб та ін., повинні повністю інспектуватися кожні 1-4 роки, залежно від призначення споруди або характеристик навколишнього середовища. Під час вимірювання опору заземлення важливо враховувати його можливі зміни у різні сезони при варіаціях температури та опадів. Якщо спостерігається помітне відхилення від проектних параметрів і, особливо, якщо є тенденція поступового зростання опору, приймають рішення про модернізацію системи заземлення. Зауважимо, що сучасні компоненти і технології дозволяють розробляти системи заземлення, які при правильній експлуатації і обслуговуванні надійно працюють не менш ніж 30 років. Як правило, вимірювання опорів заземлювачів здійснюють у місцях розташування контрольних з'єднувачів, де струмовідводи підходять до провідників системи заземлення. Контрольні роз'єми повинні бути на кожному опуску, за винятком «природних» (арматура ж/б конструкцій, металеві фасади та ін.). Їх встановлюють на стіні споруди (безпосередньо на опуску або в монтажних коробках та люках) або в спеціальних колодязях (пластикових, металевих, бетонних) на рівні землі поблизу споруди.



Повернутися до списку