Пасивни и активни мълниеотводни системи

Както е известно, преките попадения на мълнии върху сгради могат да причинят механични вреди, травми на хора, пожар и експлозия, породени от канала на мълнията или предизвикани от искри, вследствие на пренапрежения на активни или индуктивни вериги и протичане на частични токове на мълнията. Също така, попадането на мълния в близост до обекта често пъти води до отказ или неправилно функциониране на вътрешните мрежи в резултат на електромагнитното въздействие.

За защита на хората и сградите от пряко попадане на мълнии са създадени различни технически средства, най-масово използваните сред които все още са мълниеотводите. Те осигуряват т. нар. външна защита и се състоят от три части - мълниеприемник, токоотвод и заземител.

Мълниеприемници
Предназначението на мълниеприемниците е да създадат канал по посока на облака, преди това да направят околните сгради и съоръжения, т. е. да “привлекат” мълнията към себе си. Разделят се на конвенционални 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 зона се прави в зависимост от интензивността на мълниеносната дейност и вида на сградата. Мълниеприемниците могат да са комбинация от: мълниеприемни пръти, включително свободностоящи мълниеотводи (мачти); мълниеприемни окачени проводници (въжета) или мълниеприемни мрежи.
Най-елементарните и добре познати прътови мълниеприемници представляват прът от неръждаема стомана, алуминий или мед с напречно сечение не по-малко от 1 см2 и дължина не по-малка от 20 см. Максималната дължина на стоманените достига 8 м. Поставяните на комин обикновено са медни или алуминиеви с диаметър 10-13 мм. Вместо прът по билото на покрива могат да се монтират къси шипове (дължина около 50 см) с разстояние между тях не повече от 6 м. Те са свързани с подходящ дебел проводник. На комините също се поставят шипове - един при широчина на комина до 1,2 м 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.
Най-важната характеристика на всеки мълниеотвод е зоната, която той защитава. Тя зависи от височината му над земната повърхност (по-висок мълниеотвод - по-широка зона) и от максималното разстояние до върха му, необходимо за възникване на мълния (по-голямо разстояние - по-голяма зона). Последното обаче зависи не само от елементите на мълниеотводната инсталация, но и от атмосферните условия, поради което зоната на защита може да се определи само приблизително (Фиг. 1).
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 (Фиг. 2). Изискването към тях е минималното напречно сечение в зависимост от материала, от който е изпълнен мълниеприемникът, да бъде: стомана - 50 мм2; алуминий - 70 мм2 ; мед - 35 мм2.

Срещано в практиката решение за мълниезащита са и мълниеприемните мрежи. Обикновено се изпълняват от стомана със сечение най-малко 50 мм2 или от други метали, с които се осигуряват най-малко равностойни механическа издръжливост и електрическа проводимост. Мълниезащитната зона е практически равна на площта на мрежата, която се препоръчва да е до 150 м2. Прътови мълниеприемници или мълниеприемна мрежа може да не се проектират за сгради, чиито покривни елементи са разположени върху метални ферми, когато е осигурена непрекъсната електрическа връзка на металните ферми със заземителите, при условие че по покрива и в подпокривното пространство се използват само негорими материали.

Токоотводи
Съгласно действащата у нас нормативна уредба, за всяка неизолирана мълниезащитна уредба броят на токоотводите трябва да бъде най-малко два. Токоотводите се разпределят по периметъра на защитавания обект, като се отчитат архитектурните и практическите ограничения. Препоръчва се токоотводите да се разполагат на равни разстояния по периметъра на защитавания обект и да се поставят на всеки ъгъл на защитавания обект, когато това е възможно. Обикновено са медни и калайдисани за намаляване на атмосферните влияния. Могат да бъдат многожилни с кръгло напречно сечение и диаметър 10-15 мм (но не по-малко от 8 мм) или лентови с дебелина не по-малко от 4 мм и широчина над 12 мм. 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 мм. 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 см 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.

Специфики при инсталацията на токоотводите
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 м от двете страни на токоотвода. Трасетата на токоотводите се проектират така, че проводниците да преминават по най-краткия път, като се отчита и мястото на заземителя и се избягва обхващането на цокли или корнизи на защитавания обект. Токоотводите се проектират по възможност прави, без резки огъвания, а радиусите на кривите са най-малко 20 см. 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 мм 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 м, 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 м 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 че това не е възможно, връзката се осъществява с преходник, като електрическото й съпротивление трябва да е до 50 mW.

Когато по технически или естетически причини се предвижда токоотводът да преминава през вътрешността на сградата, при проектирането се отчитат намаляването на ефективността му, затрудненията при проверката и обслужването, както и опасността от въвеждане на пренапрежения във вътрешността на защитавания обект.

Заземители
За целите на мълниезащитата се използват няколко вида заземители, състоящи се от един или няколко контура; вертикални или наклонени електроди; радиално разположени електроди; заземителен контур, разположен на дъното на изкопа на защитавания обект; заземителна мрежа. При проектирането на заземителите се цели постигане на по-малко съпротивление на заземителите спрямо земя и по-равномерно разпределение на тока на мълнията в земята за предотвратяване на проявата на опасни пренапрежения. Максимално допустимата стойност за съпротивлението спрямо земя се определя в инвестиционния проект. В общия случай се препоръчва съпротивлението спрямо земя да е по-малко от 10 W (измерено при промишлена честота), но за конвенционални мълниеприемници и съпротивление на почвата над 500 W/м се допуска то да е до 40 W.

Заземителите могат да бъдат вертикални, хоризонтални или комбинирани. Първите обикновено представляват стоманени пръти с диаметър поне 10 мм, тръби с дебелина на стената най-малко 3,5 мм или профили с правоъгълно сечение не по-малко от 160 мм2 и дебелина на стените поне 4 мм. Горният им край трябва да е на дълбочина 60-80 см, а долният - между 2,5 и 4,5 м. 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 см, като са насочени навън от сградата. Обикновено са от три пръта под ъгъл един спрямо друг, всеки с дължина най-малко 7 м 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. Комбинираните заземители са съчетание от вертикални и хоризонтални, обединени в обща система, при която токоотводите се свързват в средата на хоризонталната част.

Мълниеприемници с изпреварващо действие
Мълниеприемниците с изпреварващо действие формират т. нар. активна мълниезащита. Използват се предимно при мълниезащитата на сгради и външни съоръжения с особено предназначение, както и на големи открити пространства (складови площадки, зони за отдих и спорт и др.). Върхът на мълниеприемника с изпреварващо действие се проектира на разстояние най-малко 2 м над зоната, която той защитава, включително антени, кули за охлаждане, комини, резервоари и др. Когато мълниезащитната уредба се проектира с няколко мълниеприемници с изпреварващо действие, те се свързват помежду им с проводник, освен когато проводникът преминава по преграда на сградата (корниз, цокъл) с положителна или отрицателна денивелация (d), по-голяма от 1,5 м, както е показано на фиг. 3.
Благодарение на своята конструкция, мълниеприемниците с изпреварващо действие йонизират въздуха над себе си, като по този начин каналът в него се създава по-рано и срещата му с идващия от облака става на значителна височина над върха им. 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 км/сек. за време DT = 50 мс тя изминава 4 м, 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 м радиусът за ниво I е 31 м, за ниво II - 38 м и за ниво III - 43 м.

Ефективното действие на приемниците се осигурява чрез монтирането им на височина поне 2 м 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 м), след която той почти не се променя.

Йонизирането на въздуха над приемника се осъществява по няколко начина. 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 от тях по-рано да се срещне с идващия от облака, нараства.

Всеки мълниеприемник с изпреварващо действие се свързва със заземител (заземители) посредством един или повече токоотводи. Когато хоризонталната проекция на токоотвода е по-голяма от вертикалната му проекция или когато сградата (външното съоръжение) е с височина по-голяма от 28 м, се проектират най-малко два токоотвода. При наличие на два или повече токотвода, те се разполагат върху различни фасади на сградата.

Нормативна уредба
Актуалната нормативна рамка в областта се формира от Наредба № 4 от 22 декември 2010 г. за мълниезащита на сгради, външни съоръжения и открити пространства, издадена от Министерството на регионалното развитие и благоустройството и обнародвана в ДВ. бр. 6 от 18 Януари 2011 г. С наредбата се определят правилата и изискванията при проектиране, изграждане и поддържане на мълниезащитни уредби на сгради с жилищно, обществено-обслужващо, производствено, смесено и друго предназначение с височина до 60 м, както и на второстепенни и стопански постройки на допълващото застрояване, на временни строежи и преместваеми обекти, външни съоръжения с височина до 60 м, строителни площадки и открити пространства. Наредбата се прилага при проектиране и изграждане на нови, както и при реконструкция, основно обновяване и основен ремонт на съществуващи мълниезащитни уредби.