Токоотводы. Теория и практика.

Токоотводы должны транспортировать ток молнии от молниеприемника к заземлителю молниеотвода. При нормировании они не привлекали к себе особого внимания. В национальном нормативном документе “Инструкция по устройству молниезащиты зданий и сооружений РД 34.21.122-87” предписано, что в качестве токоотводов “всюду, где это возможно, следует использовать металлические конструкции зданий и сооружений (колонны, фермы, рамы, пожарные лестницы и т.п., а также арматуру железобетонных конструкций) при условии обеспечения непрерывной электрической связи в соединениях конструкций и арматуры с молниеприемниками и заземлителями, выполняемых, как правило, сваркой.” Что касается специально прокладываемых токоотводов, то их предписано располагать по внешнему периметру стен с шагом 25 м. При этом диаметр стального проводника не может быть меньше 6 мм. Каких-либо особых требований к токоотводам норматив РД 34.21.122-87 не предусматривает. Исключение составляет рекомендация не прокладывать токоотводы ближе 3 м от входов в здание, чтобы избежать поражения людей напряжением прикосновения.

Норматив 2003 г “Инструкция по устройству молниезащиты зданий, сооружений и промышленных коммуникаций” уделяет токоотводам больше внимания. Во-первых, частота размещения токоотводов по наружному периметру стен здания представляется зависимой от избранного уровня защиты. Для I уровня шаг расстановки токоотводов не должен превышать 10 м, а для каждого следующего уровня он увеличивается на 5 м. Таким образом расстановка, токоотводов с шагом 25 м (как в РД 34.21.122-87) допускается только для IV уровня защиты. Во-вторых, норматив разрешает использовать для токоотводов не только сталь, но и цветные металлы, в том числе алюминий. Последнее важно, потому что в современном градостроительстве алюминиевые детали – важный элемент декоративной отделки стен и эти элементы декора часто удается использовать в качестве естественных токоотводов. Наконец, токоотводы разрешено помещать под декоративной отделкой стен, если отделочный материал негорючий. Тем самым снимается проблема порчи внешнего вида сооружения.

Неудовлетворенность нормативом возникает при попытке понять возможности использования естественных молниеотводов. В их роли норматив 2003 г видит металлические конструкции здания, в т.ч. с изоляционными покрытиями, металлические каркасы и опоры, стальную арматуру железобетонных конструкций. Электрическая непрерывность соединений должна быть долговечной, а сечение металла не меньше, чем это предписано специально монтируемым токоотводам (50, 25 и 16 мм2 для стали, алюминия и меди соответственно). Арматура железобетонных конструкций считается электрически непрерывной, если хотя бы 50% стержней соединены сваркой, болтовыми соединениями или вязкой проволокой. При столь подробном разъяснении деталей норматив, тем не менее, не дает ответа на фундаментальный вопрос: когда можно полагаться на естественные токоотводы и при каких обстоятельствах необходимо их прокладывать специально по внешней стороне стен здания.

Если беспокоиться о термическом воздействии тока молнии, то ситуация выглядит достаточно просто. Пропуская ток молнии, токоотвод не только не сгорит, но даже не перегреется. Действительно, по нормативным требованиям проектирование проводящих элементов молниеотводов I уровня защиты должно ориентироваться на удельную энергию разряда в 104 Дж/Ом. Чтобы определить фактическую энергию, выделившуюся в проводнике с током молнии, надо умножить это значение на сопротивление проводника. Например, для нормированного стального токоотвода сечением 50 мм2 это будет примерно 0,0022 Ом/м, что даст энерговыделение в 22 Дж/м. Такой энергии недостаточно, чтобы поднять температуру проводника хотя бы на 1000. Многочисленные токоотводы здесь не нужны, ибо по нагреву ситуация и так более чем благополучна.



Рис. 1

Распределение магнитного поля по радиусу внутри цилиндрического объекта

радиусом 25 м; отсчет расстояние производится от центра цилиндра

Другое дело электромагнитная обстановка. Чем на большее число проводников дробится ток молнии, тем слабее магнитное поле во внутреннем объеме здания, а значит, тем меньше ЭДС магнитной индукции, что возбуждается этим полем в любом контуре, например, в кабелях компьютеров или в цепях управления микропроцессорной техникой. В этом отношении каждый дополнительный токоотвод – реальное благо и их число желательно максимально увеличивать.

Сказанное иллюстрируется результатами расчета на рис. 1 Для простоты вычислений рассмотрен объект в виде кругового цилиндра радиусом 25 м из непроводящего материала. Вертикальные токоотводы размещены с равным шагом по внешней стороны стены; влияние путей растекания тока молнии по поверхности крыши во внимание не принималось. Произведенная оценка напряженности магнитного поля H выполнена для контрольных точек на средних этажах объекта, где токоотводы в первом приближении можно рассматривать как неограниченно длинные; расчетные значения напряженности H отнесены к полному току молнии I. При 2-х токоотводах (минимально допустимое количество) поле H, в силу радиальной симметрии равное 0 в центре очень заметно нарастает по мере приближения к наружной стене. Уже на расстоянии r = 5 м от оси значение H/I достигает 10-3 м-1, а при r = 18 м увеличивается еще в 10 раз. Далее, в направлении внешней стены с токоотводами магнитное поле нарастает очень быстро, приближаясь к H/I ~ 1 м-1.

Увеличение числа токоотводов эффективно снижает магнитное поле тока молнии в средней части объема здания. Так, при использовании 6-ти токоотводов H/I < 10-3 м-3 на расстоянии r ≤ 17 м от оси, а в случае 24 токоотводов – при 23 м. Фактически в неблагоприятных условиях оказывается только внутреннее пространство защищаемого объекта, близко примыкающее к стенам с токоотводами, где магнитное поле определяется лишь током ближайшего из токоотводов, а экранирующие эффекты проявляются слабо. В качестве примера на рис. 2 построена зависимость от числа токоотводов приведенного значения H/I на внутренней поверхности стены толщиной 10 см (расчетная точка расположена непосредственно напротив токоотвода). Можно видеть, что очень резкое ослабление начинается в случае использования сотен токоотводов, когда расстояние между ними сопоставимо с расстоянием до расчетной точки. Столь большое число токоотводов реально, когда их роль исполняет железобетонная арматура защищаемого сооружения.

Рис. 2

Зависимость от числа токоотводов напряженности магнитного поля на

внутренней поверхности диэлектрической стены толщиной 10 м.

Объект выполнен в виде кругового цилиндра радиусом 25 м.

Вернемся теперь к вопросу о внутренних фермах и колоннах, которые рекомендовано использовать в качестве естественных токоотводов. Подобная рекомендация представляется крайне неосмотрительной. Чтобы убедиться в этом стоит рассмотреть предельную ситуацию, положив, что ток молнии устремляется к заземлителю через единственную металлическую колонну в центре сооружения, а токоотводы по внешней поверхности стен не проложены. Для I уровня защиты норматив 2003 г. предписывает ориентироваться на среднюю крутизну фронта тока Ai= 2´1011 А/м. При столь быстром нарастании на расстоянии r от центра колонны в контуре площадью S магнитное поле тока возбудит ЭДС индукции предельной величиной

,

где m0 – магнитная проницаемость вакуума. Даже при достаточно большом удалении от колонны r ~ 10 м наведенное напряжение в контуре S = 1 м достигнет 4000 В и будет представлять реальную опасность аппаратуры в сети 220 В. Что же здесь говорить о цепях микропроцессорной техники с напряжением питания менее 10 В! Для их повреждения достаточно взаимодействия с магнитным полем тока молнии контуров площадью порядка 0,01 м2, в роли которых могут выступать, например, провода цепей низковольтного питания. Конечно коммуникации низковольтного оборудования можно экранировать или защищать ограничителями перенапряжений, но при исключительно разветвленной и протяженной цепи систем управления, релейной защиты и автоматики прибегать к таким мерам надо возможно реже. Начинать следует с организации разумного отвода тока молнии в землю, при которой он минимальным образом нагрузит металлоконструкции во внутреннем объеме здания. Прокладка токоотводов по внешней поверхности стен здания служит и для этой цели.

Полезно еще раз вернуться к простейшему примеру с цилиндрическим объектом. Допустим, что по его оси располагается вертикальная колонна. Расчетные данные на рис. 3 демонстрируют долю тока молнии в колонне в зависимости от числа токоотводов на внешних стенах. Расчет справедлив для наиболее опасного по электромагнитному воздействию импульса тока молнии с коротким (менее 1 мкс) фронтом, когда на распределение тока практически не влияет ни сопротивление токоотводов, ни их радиус.



Рис. 3

Доля тока в центральной колонне цилиндрического объекта радиусом 25 м

в зависимости от числа токоотводов на внешней поверхности стен.

Можно видеть, что при монтаже токоотводов с шагом 10 м (16 токоотводов по периметру объекта), как это предписано в нормативе 2003 г для I уровня защищенности, в центральной колонне останется только 5% тока молнии, а при увеличении числа токовотводов более чем до 100 можно снизить токовую нагрузку до 1%. В те же десятки раз упадет и напряжение магнитной индукции. Для сопоставления отметим, что в типовом решении с 2-мя токоотводами по центральной колонне пройдет более 30% тока молнии.

Остается еще раз повторить, что сотни токоотводов не попадают в разряд фантастических решений. В их роли вполне может выступать стальная арматура железобетонных стен или, например, металлические каркасы стеклопакетов.

В итоге проведенного рассмотрения, очевидно, что ни при каких обстоятельствах нельзя направлять значительную долю тока молнии локально во внутрь зданий (например направляющие лифтов в кирпичных зданиях и т.п.), потому что это верный путь к резкому увеличению ЭДС магнитной индукции во внутренних электрических цепях объекта.

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.