Технически средства за мълниезащити

Защитата на сгради и съоръжения от попадения на мълнии е не само нормативно задължителна, но и жизнено необходима

Мълниезащитите са важно техническо средство, гарантиращо сигурността на хората и материалните активи в сградите. Пораженията, които е възможно да нанесе удар от мълния, вече далеч не се ограничават до физически щети на обектите.

Поради масовата електронизация във всички сфери на живота, атмосферните и комутационните пренапрежения могат да парализират дейността в офисните, административните и търговските сгради и т.н., като нанесат финансови щети и загуба на ценна информация. В настоящата статия са описани накратко най-разпространените технически средства за предпазване на обекти (сгради, съоръжения и открити пространства) от директни попадения и вторичните въздействия на мълнии и характеристиките им.

Компоненти на мълниеотводна инсталация
Най-масово използваните средства за защита от пряко попадане на мълнии са мълниеотводите. Функцията им е да привличат върху себе си мълнията, за да не попадне тя върху защитавания обект. За ефективна защита трябва върхът на мълниеприемния прът да е поне с два метра над най-високата част на защитаваната площ (включително и от монтирана върху нея антена). Обикновено прътовете се изработват от мед, алуминий или неръждаема стомана.
Освен мълниеприемник, всяка мълниеотводна инсталация включва още токоотводен проводник за връзката му със земята и самото свързване към нея, познато като заземяване. Токоотводните проводници обикновено са от поцинкована стомана, мед или алуминий. Когато атмосферните условия се явяват предпоставка за силна корозия (например край морето), е по-добре да се използва неръждаема стомана. Не се препоръчва приложението на многожилен проводник. Най-добре е той да има подходяща високоволтова изолация, за да не прескачат искри между него и съседни метални части.
Заземяването се реализира чрез вертикални заземителни пръти и хоризонтални шини от стомана или мед. Всеки токоотводен проводник задължително има заземяване, осигуряващо между него и земята електрическо съпротивление, не по-голямо от 20 ома. Лошото заземяване се характеризира с по-голямо съпротивление и върху него токът на мълнията може да създаде опасно голямо напрежение.

Определяне на мълниезащитната зона
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.
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.
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, като каналът в него се създава по-рано (затова наименованието им е с “изпреварващо действие”) и срещата му с мълнията става на значителна височина над върха им. 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. Типични стойности на това време са няколко десетки микросекунди, като то се дава във вид на 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.

Вторична защита от мълнии
Мълниеприемникът има способността да предпази сградата, върху която е инсталиран, от сериозни щети. Създаваните напрежения в околните мрежи и уреди при протичането на тока от мълнията през проводника за заземяване обаче, налагат използването на допълнителни защитни средства - така наречената вторична защита. Различават се два основни типа елементи за вторична защита, в зависимост от принципа на действие и начина на свързване към предпазвания уред - за защита от свръхнапрежения и за енергийна защита. Елементите за защита от свръхнапрежения не позволяват напрежението между две точки да надхвърли определена безопасна стойност. Когато напрежението между защитаваните точки е нормално, елементът за защита не оказва никакво влияние. При повишаване на напрежението в мрежата над определена стойност (което може да е предизвикано не само от падане на мълния), наречено свръхнапрежение, елементът много бързо се задейства и установява неизменно и безопасно напрежение между двете точки и съответно предпазвания уред. Същевременно през елемента е възможно да протече много голям ток (в някои случаи над 10 000 A), но само за много краткото време на наличие на свръхнапрежението.
В зависимост от начина на осъществяване на описаното действие съществуват четири вида елементи за вторична защита от напрежение
Първият и все още най-масово използван сред тях е въздушният разрядник. Той съдържа две метални остриета, разположени на известно разстояние и насочени едно срещу друго. Ако между остриетата възникне напрежение над определена стойност, във въздуха между тях се получава електрически разряд и протича голям ток (електрическа искра). Така напрежението между остриетата намалява до много малка и безопасна стойност. След като свръхнапрежението изчезне, пробивът се прекратява и разрядникът е готов за следващата защита. Напрежението за възникване на разряда зависи от разстоянието между пластинките (по-голямо разстояние - по-голямо напрежение), но е не по-малко от 500 V.
Вторият вид са газоразрядните елементи. Те имат подобна структура и действие както въздушните разрядници, но електродите им са поставени в херметически затворена керамична капсула, изпълнена с инертен газ с ниско налягане. Той позволява разрядът да възникне при по-ниски напрежения. Токът през задействания елемент може да достигне до десетина хиляди ампера, но за не повече от няколко стотни от секундата.
Третият вид елементи са металоокисните варистори (МОV). Наименованието им показва, че те съдържат метални окиси - най-голямо е количеството на цинковия окис, към който са прибавени малки количества други окиси (напр. бисмутов, кобалтов и магнезиев). За разлика от предните два вида елементи, при варисторите не възниква електрически разряд. При достигане на определено напрежение, елементът започва да променя съпротивлението си, поради което напрежението между защитаваните точки остава практически неизменно. Стойностите на това напрежение са между 100 и 1000 V, т.е. много по-големи в сравнение с предните два елемента. Максимално допустимият ток през елемента е малко по-малък (до 6-7 хил. A). Основно предимство на варисторите е осигуряване на много сигурна защита, тъй като времето на задействане (времето на включване на защитата) е значително по-малко от това на предните два елемента - много под една милионна част от секундата.
Последният тип са защитните диоди. Те са с най-бърза реакция. Времето на задействането им трудно се побира в мащабите, с които сме свикнали - то е много по-малко от една милиардна от секундата. Нещо повече, след задействането между защитаваните точки се установява напрежение около 1 V, което е предимство спрямо останалите елементи. Основно ограничение за приложимостта на тези елементи е, че токът през тях едва достига 1000 A, и то само в някои специални типове. При други той е едва няколко десетки A. Практически това означава невъзможност от използването им за ограничаване на големи свръхнапрежения.