Мълниеотводите

Средства за външна защита - мълниеприемници, токоотводи, заземители

Попаденията на мълнии предизвикват щети, които не се ограничават само с пострадали хора и повреди на сгради. Електронните устройства от всякакъв вид са уязвими и към вторичните явления от падането на мълния (появата на пренапрежения), които могат да ги извадят от строя с всички последици от това за дома, административната или производствена дейност. Това налага да се взимат мерки за намаляване и най-добре избягване и на това влияние на падащите мълнии.

Средствата за защита от мълнии и пренапрежения ще разгледаме в две последователни статии. Настоящата е посветена на мълниеотводите, които са задължителни за всички системи за мълниезащита, но поради особеностите на въздействието на мълниите, рядко са достатъчни. За другите компоненти на системите за мълниезащита четете в следващия брой на Технологичен дом.

Същност на мълниите

Облаците са нееднородни системи и при движението им техните части се трият една в друга. При определени атмосферни условия това предизвиква натрупването на голям електрически заряд върху тях и когато настъпи пробив на въздуха, протича огромен ток. Именно той представлява мълния между частите на облака или между два съседни облака.

Същевременно зареденият облак индуцира в земята под себе си електрически заряд с обратна полярност, т.е. образува се много голям зареден кондензатор с електроди - облакът и земята и въздухът като изолатор между тях. Между многото фактори, от които зависи напрежението върху кондензатора, е и електрическото съпротивление на земята. Напрежението е право пропорционално на съпротивлението и затова в географски райони, където то е по-голямо, мълниите са по-чести и щетите от тях - по-големи. Стойността на напрежението може да надхвърли 1 МV и да предизвика пробив във въздуха.

Неговото възникване става, като от облака към земята се създаде един канал от йонизирани частици и втори канал - от проводящ предмет на земята към облака, като и двата са с диаметър десетина сантиметра. Колкото обектът на земята е по-висок и остър, толкова по-лесно се образува каналът, което обяснява най-честите места на попадане на мълнии. Мястото на съединяване на двата канала се нарича точка на Франклин (на името на създателя на първия мълниеотвод), след което по така образувания един общ канал протича токът. В около 95% от мълниите той е над 5 kA. Именно тези впечатляващи стойности са причината за големите поражения, нанасяни от мълниите.

От своя страна, токът нагрява въздуха до няколко десетки хиляди градуса, което обяснява блясъка на светкавицата. Нагряването бързо го разширява, което пък е причината за гърма. Самата продължителност на мълниите обикновено е няколко десети от секундата и не надхвърля 1 s.

България е страна със значителна активност на мълниеносната дейност - годишно такава има средно около 30 дни, а броят на падащите мълнии е над 500 000. Те са най-много в районите на Враца, Ловеч, Ботевград, София, Кюстендил и Сандански. И независимо че мълниите са природна стихия, на която успешно може да се противодейства, на мълниезащитата не винаги не се обръща нужното внимание.

Основни понятия

Мълниеотводите осигуряват така наречената външна защита и се състоят от 3 части. Техният мълниеприемник (с популярното наименование гръмоотвод), е предназначен да приема преките попадения на мълниите. Токоотводът представлява проводник, който провежда тока на мълнията към третата част - заземителя. От своя страна, последният осигурява “изтичането” на тока в земята.

Мълниезащитните уредби съдържат мълниеотводи и допълнителни прибори за вътрешна защита, чиято цел е да предпази електрическите инсталации и прибори от вторични явления, дължащи се на падането на мълния.

Мълниеприемници

Предназначението им не е да възпрепятстват образуването на мълнии, а да създадат канала по посока на облака, преди това да направят околните сгради и съоръжения, т.е. да “привлекат” към себе си мълнията. Площта, която те предпазват от падане на мълния, се нарича мълниезащитна зона. Разделят се на конвенционални (обикновени) мълниеприемници и мълниеприемници с изпреварващо действие. Първите могат да осигуряват два вида мълниезащитни зони - тип А, в която вероятността да няма попадение на мълния е не по-малка от 99,5%, и тип Б с вероятност не по-малка от 95%. Изборът на типа на зоната се прави в зависимост от интензивността на мълниеносната дейност и вида на сградата.

Най-простите и добре познати

прътови

мълниеприемници

представляват прът от неръждаема стомана, алуминий или мед с напречно сечение не по-малко от 1 cm2 и дължина не по-малка от 20 cm. Максималната дължина на стоманените достига 8 m. Поставяните на комин обикновено са медни или алуминиеви с диаметър 10-13 mm. От естетически съображения (да не се загрозява външният вид на сградата) вместо прът по билото на покрива може да се монтират къси шипове (дължина около 50 cm) с разстояние между тях не повече от 6 m, като задължително на не повече от 60 cm от краищата на билото трябва да има шип. Те са свързани с подходящ дебел проводник. На комините също се поставят шипове - един при широчина на комина до 1,2 m и два - при по-голяма.

При наличие на телевизионна или сателитна антена на покрива, нейната носеща конструкция също трябва да е съединена с проводника. Същото се отнася и за металните тръби на вентилационните системи, въпреки че височината им рядко надхвърля няколко десетки сантиметра. За любителите на ретродизайна има мълниеприемници с оригинално оформен меден или алуминиев ветропоказател.

Мълниезащитната зона на прътовите мълниеприемници представлява конус около тях с връх в горния край на приемника и радиус на основата r. При височина h на пръта големината на r за мълниезащитна зона тип А е приблизително 1,1h, а за тип Б - приблизително 1,5h. При необходимост от голяма площ на зоната се поставят два или повече мълниеприемника. При това когато зоните им на защита се допират, всяка от тях се определя, все едно че приемникът е самостоятелен.

Мълниеприемници могат да се реализират и под формата на едно или повече въжета, опънати между две опори. Така се получава по-голяма зона на мълниезащита в сравнение с прътовите мълниеприемници. Въжетата са многожилни от поцинкована стомана със сечение не по-малко от 35 mm2.

Друга разновидност са

мълниеприемните мрежи

Те се правят от алуминиеви, медни или стоманени пръти с диаметър не по-малък от 8 mm, разстоянието между които се определя от необходимата здравина на мрежата. Мълниезащитната зона е практически равна на площта на мрежата, която се препоръчва да е до 150 m2.

Увеличаването на мълниезащитната зона на прътовите мълниеприемници чрез увеличаване на височината им се ограничава от механичната им якост. Тези ограничения са значително по-малки при

мълниеприемниците

с изпреварващо действие

Благодарение на своята конструкция, те йонизират въздуха над себе си, каналът в него се създава по-рано (от тук е наименованието “изпреварващо действие”) и срещата му с идващия от облака става на значителна височина над върха им. Реално е все едно, че мълниеприемникът е станал по-висок и съответно зоната му на мълниезащита се е разширила - нейният радиус нараства поне няколко пъти в сравнение с конвенционален прътов мълниеприемник със същата височина. Колкото времето на изпреварване DT (някои производители го наричат време за формиране на изпреварващата поточна емисия) е по-голямо, толкова по-широка става зоната на мълниезащита. Типичните стойности на това време са няколко десетки микросекунди и то се дава като параметър в някои каталози. Например, при скорост на мълнията 80 km/s за време DT = 50 ms тя изминава 4 m, колкото е и ефективното нарастване на височината на мълниеприемника.

За тези приемници са в сила 4 нива (или категории) на защита - ниво I, в което вероятността да не попадне мълния е над 98%, ниво II - между 95 и 98%, ниво III - от 80 до 95% и ниво IV - под 80%. Често в каталозите се дава таблица с радиуса на защита в зависимост от височината на монтиране на приемника и нивото на защита. Например при височина 2 m радиусът за ниво I е 31 m, за ниво II - 38 m и за ниво III - 43 m.

Ефективното действие на приемниците се осигурява чрез монтирането им на височина поне 2 m над най-високата точка на охраняваната сграда (включително антените на покрива). Важно е да се има предвид и че радиусът на защита нараства с увеличаване на височината само до определена граница (обикновено 5-6 m), след която той почти не се променя.

Няколко са

начините за йонизиране

на въздуха над приемника

Най-старият е с вграждане в него на миниатюрен радиоактивен източник. Той е напълно безопасен, но независимо от това са намерени и все повече се използват и други решения. В едни от тях се използва увеличаването при бури на напрегнатостта на електрическото поле във въздуха до 10 kV/m и дори повече, което създава значително количество йони. Тъй като те са електрически заредени частици, по подходящ начин (различен в зависимост от конструкцията) се улавят и се натрупват в мълниеприемника под формата на електрическа енергия. От своя страна, тя се използва за допълнително йонизиране на въздуха над него, като в някои модели за целта има електронен блок, генериращ импулси. Друго оригинално решение е прикрепване на върха на пръта на специална полусфера, която създава множество канали по посока на облака и вероятността някой тях по-рано да се срещне с идващия от облака нараства.

И при мълниеприемниците с изпреварващо действие за големи сгради трябва да се използват два или повече приемника, свързани с проводник. Такова решение не се допуска, когато се налага да има разлика по вертикала между части на проводника, по-голяма от 1,5 m.

Токоотводи

В някои каталози те се наричат “спусъци”. Обикновено са медни и калайдисани за намаляване на атмосферните влияния. Могат да бъдат многожилни с кръгло напречно сечение и диаметър 10-15 mm (но не по-малко от 8 mm) или лентови с дебелина не по-малко от 4 mm и широчина над 12 mm.

Медта се предпочита поради малкото й специфично съпротивление, което позволява токоотводите да са с най-малкото възможно напречно сечение и същевременно да имат достатъчна механична издръжливост. Те са, обаче, най-скъпите.

По-евтини са алуминиевите токоотводи, но по-голямото им специфично съпротивление налага да са с по-голямо напречно сечение в сравнение с медните - диаметърът е с около 30% по-голям, а лентите са с примерни размери 30x3 mm. Освен заради по-ниската си цена, те се използват в специфични случаи - поради лесната връзка с алуминиев мълниеприемник, при наличие на алуминиеви части или такива от галванизирана стомана в местата на преминаването им, както и в светло оцветени сгради, където медният токоотвод контрастира неестетично. Те не трябва да преминават през места, където се събира влага или се натрупват листа, както и такива с бои на алкална основа. Алуминиевите токоотводи трябва да завършват най-малко на 30 cm от земята, след което токоотводът продължава с меден проводник. В този и други случаи, когато се налага връзка между медни и алуминиеви елементи, задължително трябва да се използват специални биметални преходници, тъй като непосредствената връзка води до корозия. Обикновено те се предлагат като аксесоари към мълниеотводите. Използват се и токоотводи от поцинкована или галванизирана стомана.

Най-често

токоотводите се монтират

външно, като за закрепването им на покрива могат да се използват специални керемиди за мълниезащита. Токоотводите трябва да са максимално къси, т.е. необходимо е да се избира най-прекият път от мълниеприемника до заземяването, но да не минават в близост до електрически инсталации. Когато последното не може да се избегне, инсталацията трябва да е с ширмован кабел поне по 1 m от двете страни на токоотвода. Извивките на токоотвода (например при преминаване от покрива по стена) е задължително да са с радиус над 20 cm. Не е желателно да има места на токоотвода, където той да се изкачва нагоре. Ако това е неизбежно, трябва да се спазват съответните ограничения (вж. фигурата).

За частично прикриване на токоотводите те могат да преминават покрай улуци и водосточни тръби. Допуска се токоотводите да са скрити - в тръби от негорящ изолационен материал с диаметър поне 50 mm или зад метални, стъклени или каменни облицовки или прегради. Класическа е забраната за токоотводи да се използва изолиран проводник, но вече има производители, предлагащи такъв с изключително устойчива изолация.

Две съседни точки на закрепване на токоотвода трябва да са на разстояние най-много 1 m, като се препоръчва използването на специални приспособления, предлагани от производителите. Желателно е токоотводът да е от цял проводник, но когато се налага да бъде удължен, е задължително използването на фабрично произвеждани клемни съединения.

Допуска се като токоотводи да се използват подходящи части на сградата - пожарна стълба, метален комин и др.

В зависимост от размерите на сградата един мълниеприемник може да бъде свързан с един или два токоотвода. Първият случай е при височина на сградата до 28 m и когато дължината на токоотвода по покрива е по-малка от тази до земята. В останалите случаи трябва да се използват два токоотвода. Самото свързване на токоотвода към мълниеприемника се прави чрез заварка. В случай когато това не е възможно, връзката се осъществява с преходник, като електрическото й съпротивление трябва да е до 50 mW.

Заземители

За ефективно отвеждане на тока на мълнията в земята всеки заземител трябва да има съпротивление до 10 W, но за конвенционални мълниеприемници и съпротивление на почвата над 500 W/m се допуска то да е до 40 W. Заземителите могат да бъдат вертикални и хоризонтални.

Първите обикновено представляват стоманени пръти с диаметър поне 10 mm, тръби с дебелина на стената най-малко 3,5 mm или профили с правоъгълно сечение не по-малко от 160 mm2 и дебелина на стените поне 4 mm. Горният им край трябва да е на дълбочина 60-80 cm, а долният - между 2,5 и 4,5 m. За всеки токоотвод трябва да има по един заземител от два пръта, поставяни на разстояние един от друг.

Хоризонталните заземители са от същия материал и със същото сечение и се заравят на дълбочина 60-80 cm, като са насочени навън от сградата. Обикновено са от 3 пръта под ъгъл един спрямо друг, всеки с дължина най-малко 7 m и с обща точка за свързване на токоотвода. И при двата вида то се прави чрез заваряване с дължина на шева поне 6 пъти диаметъра при кръгъл прът и удвоената широчина при правоъгълен прът.

Когато желаното съпротивление не може да бъде постигнато, за намаляването му се добавят още пръти, прави се комбинация от хоризонтални и вертикални пръти или в почвата се насипва сол.