Внешняя молниезащита

Что такое внешняя молниезащита

Внешняя молниезащита (СМЗ) — комплекс мероприятий для перехвата и отвода тока молнии в землю. Её задача — защитить сооружение от повреждений (прежде всего от пожаров) и обеспечить безопасность людей внутри и снаружи объекта.

Основные элементы молниеотвода:

• Молниеприемник принимает на себя основной удар, поэтому он должен выдерживать различные тепловые и динамические нагрузки. Молниеприемники подразделяются на активные и пассивные.

• Токоотвод служит для направления принятого разряда в землю.

• Заземлитель отводит ток молнии в землю. 

Типы молниеприёмников

1. Активные молниеприёмники

Принцип работы основан на ионизации воздуха вокруг устройства: ионизатор создаёт периодические серии электрических импульсов между устройством и грозовой тучей. Это провоцирует попадание молнии в молниеприёмник.

Характеристики:

• не требуют сетевой подпитки, работают автономно;
• монтируются на высоте не менее 2 м над наивысшей точкой здания;
• радиус защиты — до 107 м;
• зона защиты имеет форму «капсулы» (эллипсообразной сферы), охватывая не только здание, но и прилегающую территорию;
• для отвода разряда обычно достаточно 1–2 токоотводов;
• количество заземлителей — не более 2 шт.;
• не ухудшают эстетический вид объекта, занимают минимум места;
• минимальное электромагнитное воздействие на объект из‑за ограниченного числа токоотводов.

2. Пассивные (классические) молниеприёмники

Реализуются в трёх вариантах:

• Штыревая система — одиночный стержень, соединённый токоотводом с заземлителем. Зона защиты — конус с углом 45–55° от вертикали, высотой ≈ 0,8 от верхней точки молниеприёмника. Подходит для небольших построек.

• Тросовая система — металлический трос вдоль конька крыши на деревянных стойках. Применяется для зданий с протяжённой двускатной кровлей (склады, бараки). Редко используется в коттеджном строительстве из‑за нарушения эстетики.

• Сетчатая система («сетка Фарадея») — сетка по периметру крыши, соединённая с заземлителями. Наиболее эффективная пассивная система, часто комбинируется со стержневыми молниеприёмниками. Отличается сложностью монтажа и влиянием на внешний вид здания.

Общие характеристики пассивной защиты:

• радиус защиты — до 24 м (в 4–8 раз меньше, чем у активной);
• требуется больше токоотводов (более 2 шт.) и заземлителей (более 2 шт.);
• токоотводы соединяются горизонтальными поясами у земли и через каждые 20 м по высоте здания;
• высокая материалоёмкость и трудоёмкость монтажа;
• значительное электромагнитное воздействие из‑за множества токоотводов.

Различия между пассивной и активной молниезащитами:

1. Зона защиты активного молниеприемника больше в 4-5 раз в сравнении с пассивным стержневым молниеприемником той же высоты;
2. Из-за усложнения конструкций крыш современных зданий и сооружений пассивная молниезащита более материалоемкая, чем активная .
3. Активной молниезащитой на одном объекте можно закрыть сразу несколько строений и сооружений.
4. Время монтажа активной молниезащиты в несколько раз меньше, чем пассивной молниезащиты.
5. Активная головка не ухудшает эстетический вид объекта, занимает минимальное место при установке, не препятствует чистке кровли от снега зимой.

Единственным плюсом пассивной молниезащиты является ее работоспособность,  проверенная временем..

Токоотвод — часть молниеотвода, предназначенная для отвода тока молнии от молниеприёмника к заземлителю. Его основная задача — обеспечить безопасный путь для тока молнии, минимизируя риск повреждения здания и возникновения опасных искрений.

Использование металлических конструкций здания в качестве токоотводов

Согласно СО 153-34.21.122-2003, «всюду, где это возможно, следует использовать металлические конструкции зданий и сооружений (колонны, фермы, рамы, пожарные лестницы и т. п., а также арматуру железобетонных конструкций)» в качестве токоотводов. При этом необходимо обеспечить непрерывную электрическую связь в соединениях конструкций и арматуры с молниеприёмниками и заземлителями, выполняемых, как правило, сваркой.

К естественным токоотводам также относятся:

• металлический каркас здания или сооружения;
• соединённая между собой стальная арматура здания или сооружения;
• части фасада, профилированные элементы и опорные металлические конструкции фасада при условии, что их размеры соответствуют требованиям к токоотводам, а толщина составляет не менее 0,5 мм.

Металлическая арматура железобетонных строений считается обеспечивающей электрическую непрерывность, если примерно 50% соединений вертикальных и горизонтальных стержней выполнены сваркой или имеют жёсткую связь (болтовое крепление, вязка проволокой).

Частота размещения токоотводов

Токоотводы располагаются по периметру защищаемого объекта таким образом, чтобы среднее расстояние между ними было не меньше значений, приведённых в таблице 3.3 СО 153-34.21.122-2003:

Желательно, чтобы токоотводы равномерно располагались по периметру защищаемого объекта. По возможности они прокладываются вблизи углов зданий.

Материалы для токоотводов

Норматив разрешает использовать для токоотводов не только сталь, но и цветные металлы, в том числе алюминий. Алюминиевые токоотводы отличаются небольшим весом, хорошей проводимостью электрического тока, длительным сроком эксплуатации, высокой степенью антикоррозийности. Однако их не рекомендуется использовать в контурах заземления, если последние размещаются в грунте. Также не разрешается устанавливать алюминиевые токоотводы по оштукатуренным стенам или внутри штукатурного, цементного, бетонного слоя и под землёй.

В качестве материалов искусственных проводников также используются:

• оцинкованная сталь;
• нержавеющая сталь;
• медь;
• омеднённая сталь.

Особенности прокладки токоотводов

Некоторые правила прокладки токоотводов:

• Токоотводы соединяются горизонтальными поясами вблизи поверхности земли и через каждые 20 м по высоте здания.
• Если стена выполнена из негорючего материала, токоотводы могут быть закреплены на поверхности стены или проходить в стене; если стена выполнена из горючего материала, токоотводы могут быть закреплены непосредственно на поверхности стены так, чтобы повышение температуры при протекании тока молнии не представляло опасности для материала стены; если стена выполнена из горючего материала и повышение температуры токоотводов представляет для него опасность, токоотводы должны располагаться таким образом, чтобы расстояние между ними и защищаемым объектом всегда превышало 0,1 м.
• Не следует прокладывать токоотводы в водосточных трубах.
• Рекомендуется размещать токоотводы на максимально возможных расстояниях от дверей и окон.
• Токоотводы прокладываются по прямым и вертикальным линиям, так чтобы путь до земли был по возможности кратчайшим. Не рекомендуется прокладка токоотводов в виде петель.
• Токоотводы, прокладываемые по наружным стенам зданий, следует располагать не ближе чем в 3 м от входов или в местах, не доступных для прикосновения людей.

Особенности современного строительства

При современном индустриальном строительстве зданий, как правило, возводятся несущие пространственные железобетонные и металлические электропроводящие конструкции, а также монтируются фасадные металлические конструкции. В случае использования их в качестве естественных токоотводов возможность локального «опасного» протекания тока молнии внутрь здания отсутствует.

Токоотводы разрешено помещать под декоративной отделкой стен, если отделочный материал негорючий. Это позволяет сохранить внешний вид сооружения.

Нормы сопротивления заземления

Сопротивление заземлителя для молниезащиты регламентировано:

• в глинистом грунте — не более $10$ Ом (РД 34.21.122‑87, п. 8);
• в песчаном грунте (удельное сопротивление > 500 Ом·м) — не более $40$ Ом (РД 34.21.122‑87, п. 8);
• заземляющие электроды и соединительный проводник должны находиться на расстоянии не менее $1$ м от стены здания (СО 153‑34.21.122‑2003, п. 3.2.3.2).

Требования к токоотводам

Согласно СО 153‑34.21.122‑2003:

• рекомендуется использовать естественные токоотводы: металлические конструкции здания (колонны, фермы, пожарные лестницы), арматуру железобетонных конструкций (при условии непрерывной электрической связи, обычно обеспечивается сваркой);
• шаг расстановки токоотводов зависит от уровня защиты: для I уровня — не более 10 м, для последующих уровней увеличивается на 5 м;
• допустимо использовать сталь и цветные металлы (включая алюминий);
• допускается размещение токоотводов под негорючей декоративной отделкой стен.

Этапы монтажа внешней молниезащиты

1. Монтаж контура заземления — можно использовать отдельный контур молниезащиты или общий с защитным заземлением электроснабжения.
2. Установка молниеприёмника (активного или пассивного).
3. Монтаж токоотвода — прокладка проводников от молниеприёмника к заземлителю.
4. Соединение всех элементов системы — обеспечение надёжного электрического контакта между молниеприёмником, токоотводами и заземлителем.

Сравнительная таблица: активная vs пассивная молниезащита

Вывод

Активная молниезащита предпочтительна для крупных объектов, где важна большая зона защиты, быстрый монтаж и сохранение эстетики здания. Она эффективна для защиты нескольких строений одновременно и требует меньше обслуживания.

Пассивная молниезащита остаётся надёжным решением с проверенной временем работоспособностью. Оптимальна для небольших зданий (штыревая система), протяжённых построек (тросовая система) или объектов с высокими требованиями к надёжности (сетчатая система).

Выбор системы зависит от:

• размеров и архитектуры здания;
• бюджета и сроков монтажа;
• требований к внешнему виду объекта;
• характеристик грунта и местных климатических условий;
• нормативных требований для конкретного типа объекта.