Заземление молниеотвода

Заземление молниеотводов. Необходимость. Назначение

Содержание:

1. Для чего заземляют молниеотводы (к содержанию)

Ответ вроде бы прост – чтобы отвести в землю ток молнии после ее удара в молниеприемник. Но для этой цели нет нужды в специальном контуре заземления. Току молнии некуда деваться. Он безо всякого заземлителя растечется в грунте после удара молнии в поверхность земли или, например, в дерево. Может быть при низком сопротивлении заземления молниеотвод эффективнее притягивает молнию? Теория и эксперимент дают здесь отрицательный ответ. Для притяжения молнии важен рост плазменного канала от вершины объекта, так называемого встречного лидера. Развитие лидера сопровождается током через сопротивление заземления молниеотвода и на нем теряется напряжение. Однако потеря очень мала, потому что этот ток iв.л вряд ли превышает 10 – 20 А. Даже на сопротивлении заземления Rз = 1000 Ом потеря напряжения составит DU = iв.л Rз = 10 – 20 кВ – величина пренебрежимо малая по сравнению с потенциалом 20 – 100 МВ, который несет к земле канал молнии.

Итак, рассмотренные причины отпадают. Остается одно – безопасность процесса растекания тока молнии в земле. При ударе в молниеотвод ток молнии IM может превысить 100 кА. От него потенциал заземлителя молниеотвода принимает значение Uз = IM Rз. Даже в случае качественного заземления молниеотвода с сопротивлением заземления Rз ~ 10 Ом речь пойдет о напряжении порядка 1000 кВ. Столь сильный подброс напряжения становится причиной больших напряжений прикосновения к металлоконструкциям молниеотвода, на достаточно большом расстоянии от молниеотвода возникают опасные шаговые напряжения, между зеземлителем и подземными коммуникациями (например, кабелями цепей управления) действуют высокие напряжения, достаточные для искрового пробоя грунта и ввода в эти коммуникации значительной доли тока молнии. При очень высоком напряжении возможен даже искровой пробой по воздуху на металлоконструкции объекта, которые этот молниеотвод призван защищать.

Регламентировать сопротивление заземления молниеотвода нужно для того, чтобы снизить до безопасного уровня те высокие напряжения, что вызывает растекание в земле тока молнии.

2. Нормативные требования (к содержанию)

Сопротивление заземления – наименее строго нормируемый параметр средств защиты от прямых ударов молнии. В нормативном документе “Инструкция по устройству молниезащиты зданий, сооружений и промышленных коммуникаций” 2003 г. о предельно допустимых значениях сопротивлений заземления вообще не упоминается. В более раннем, но все еще действующем нормативе “Инструкция по устройству молниезащиты зданий и сооружений РД 34.21.122-87” конкретных значений сопротивления заземления тоже нет, однако там приводятся типовые конструкции заземлителей, различающиеся в зависимости от категории молниезащиты и типа объекта.

Фиксированные значения сопротивлений заземления молниеотводов приведены только в ПУЭ по отношению к опорам и молниезащитным тросам воздушных линий электропередачи (ВЛ). В разделе 2.5.128 7-го издания даны следующие предельно допустимые значения сопротивлений заземления (таблица 1):

Таблица 1. Максимально допустимые сопротивления заземления опор ВЛ по требованиям ПУЭ

причем для двухцепных ВЛ табличные величины рекомендуется снижать еще вдвое независимо от высоты опор и класса напряжения ВЛ. Исходя из этих значений, целесообразно проанализировать предписания нормативного документа РД 34.21.122-87, где оговорены типовые конструкции заземлителей.

Для отдельно стоящих молниеотводов объектов I категории РД 34.21.122-87 предписывает трехстержневой заземлитель, где стержни высотой не менее 3 м, установленные с шагом не менее 5 м, соединены горизонтальной полосой, заглубленной в грунт не менее, чем на 0,5 м (раздел 2.2г). Компьютерный расчет дает для такой конструкции сопротивление заземления

где r [Ом м] - удельное сопротивление грунта. Уже при удельном сопротивлении 200 Ом м сопротивление заземления превысит 10 Ом, а в высокоомных грунтах будет исчисляться сотнями ом. Например, при упоминааемом в ПУЭ значении r = 5000 Ом м величина Rз составит 330 Ом. Слабейшая молния с током 3 кА поднимет напряжение на таком заземлителе почти до 1000 кВ. 

Еще менее жесткие требования относятся к наружным установкам с жидкими и газообразными топливами, где допускается выполнять заземлители отдельно стоящих молниеотводов из одного вертикального или горизонтального электрода длиной от 5 м (п. 2.19). Расчет дает для таких заземлителей соответственно следующие значения сопротивлений заземления 

Rз верт = 0,234r; Rз гор = 0,271r [Ом] при r - [Ом м] 

Здесь. как и выше, РД 34.21.122-87 не предусматривает никаких изменений конструкции заземлителя в высокоомных грунтах. Поэтому при r = 5000 Ом м штатное сопротивление заземления молниеотвода превысит 1000 Ом! 

Не меньшее удивление вызывает регламентирование замкнутых контуров заземления, которые должны прокладываться по внешнему периметру здания, когда его фундамент нельзя использовать для растекания тока молнии. Так, для объектов II категории в грунтах с удельным сопротивлением r £ 500 Ом м согласно РД 34.21.122-87 можно довольствоваться контуром из горизонтальной шины, если площадь здания в плане превышает 250 м2, а при меньшей площади к горизонтальной шине должно привариваться по одному вертикальному стержню длиной 2 – 3 м в местах присоединения токоотводов (п. 2.13). Указанная площадь здания соответствует длине стен по 15,8 м, а это значит, что по каждой из них будет проложено не более 1 токоотвода (по РД 34.21.122-87 шаг прокладки токоотводов – 25 м). Без вертикальных стержней сопротивление заземления здания площадью 250 м2 будет равно 

Rз конт = 0,035r [Ом] 

Стержни длиной 2 м снизят его до 

Rз конт = 0,032r [Ом], 

т.е. всего на 10%. Невозможно понять, каким образом столь слабый эффект может компенсировать снижение длины периметра здания (а следовательно и горизонтальных заземляющих шин контура) в произвольное число раз. 

Если буквально следовать предписаниям п. 2.19 норматива РД 34.21.122-87, то в грунте с удельным сопротивлением r = 1000 Ом м для того же здания площадью 250 м2 можно считать пригодным контур заземления из полосы, проложенной по внешнему периметру стен, если его дополнительно оснастить 2-мя вертикальными электродами длиной от 2 м в местах присоединения каждого токоотвода. Сопротивление такого заземлителя по точному компьютерному расчету окажется равным 

Rз конт = 0,0295r [Ом], 

что при r = 1000 Ом м дает ~ 30 Ом – почти вдвое больше, чем нормировано для того же здания при r = 500 Ом м. Это влечет за собой почти двукратное увеличение перенапряжений. На редкость странное обстоятельство, если учесть, что электрическая прочность грунта не зависит от его удельного сопротивления, равно как не зависит от него опасность воздействия на человека фиксированных по величине шаговых напряжений или напряжений прикосновения. Норматив по молниезащите почему-то беспокоится о человеке, когда тот живет в регионе в хорошо проводящими грунтами, но перестает обращать на него внимания в вечно мерзлых или скальных грунтах, где удельное сопротивление велико. Проектировщику очень трудно разобраться в каше из таких плохо обоснованных, а иногда и просто несовместимых нормативных предписаний. 

Два спасительных момента все-таки существуют. Во-первых, п. 1.7.55 ПУЭ (7-е издание) предписывает объединение заземлителей электроустановок в единое заземляющее устройство. Это справедливо и для заземлений молниезащиты. Исключения касаются особо чувствительной аппаратуры, которая по технологическим соображениям может требовать отдельного (независимого) заземлителя. Присоединение молниеотводов к технологическому заземлителю электроустановок, как правило, снимает проблему, поскольку сопротивление заземления здесь не превышает 10 Ом. 

Рис. 1. Минимально возможное сопротивление, обеспечиваемое фундаментом здания квадратного основания

Другим положительным моментом нужно считать использование в качестве заземлителя железобетонного фундамента здания. Благодаря гидрофобности бетона арматура плит и свай фундамента оказывается в проводящей среде, которая по своей проводимости мало отличается от проводимости грунта. В результате арматура фундамента работает как заземляющие электроды. Ориентируясь в первом приближении на квадратную форму фундамента, можно оценить предельную величину сопротивления заземления, которую он в состоянии обеспечить в зависимости от размера здания. По результатам компьютерных расчетов на рис. 1 видно, что для типичных размеров гражданских и общественных зданий фундамент гарантирует сопротивление заземления на уровне 10 Ом в грунтах с удельным сопротивлением до 1000 Ом м. 

Норматив “Инструкция по устройству молниезащиты зданий, сооружений и промышленных коммуникаций” 2003 г рекомендует прокладку горизонтального замкнутого контура заземления на расстоянии около 1 м от внешней поверхности стен. Не нужно думать, что этот контур принципиально изменит сопротивление заземления, обеспечиваемое фундаментом здания. В лучшем случае величина Rз снизится на 10 – 20%. Целесообразность внешнего контура в том, что с его помощью удобно обеспечивать однотипное (по кратчайшему расстоянию) заземление токоотводов, а также подземных и наземных коммуникаций объекта. Последнее необходимо для эффективной защиты от заноса высокого потенциала.

3. Расчет сопротивления заземления (к содержанию)

Теория вопроса давно и полностью разработана. В инженерной практике использованы методики, основанные на полной аналогии полей постоянного тока в проводящей среде и электростатического поля зарядов в диэлектрике. Формулы из любого справочника для расчета электрической емкости C пригодны для определения проводимости контура заземления Gз ( а следовательно, и его сопротивления заземления Rз = 1/Gз). Достаточно только заменить в расчетных формулах диэлектрическую проницаемость диэлектрика e на удельную проводимость грунта g = r-1, обязательно проследив за соблюдением размерности ( в справочниках для расчета емкости любят оперировать геометрическими размерами в сантиметрах и емкости в пикофарадах). Приходится сожалеть, что строгие расчетные выражения для емкости относятся к электродам простейшей конфигурации, например, к вертикальным стержням, горизонтальным проводам, пластинам в виде дисков, сферам или полусферам. Важно также, что почти всегда речь идет об уединенных электродах, в то время как практически реализуемые контуры заземления могут содержать десятки и сотни различным образом расположенных отрезков горизонтальных шин, а также вертикальных стержней.

Оценка, основанная на предположении о параллельной работе всех этих элементов, не дает даже приблизительного представления о сопротивлении заземления контура. Недопустимо вычислить проводимости всех элементов контура (вертикальных стержней и горизонтальных полос), рассматривая каждый из них уединенно, найти арифметическую сумму проводимостей и принять ее равной проводимости контура Gз, определив таким образом сопротивление заземления как Rз = 1/Gз. Препятствием оказывается взаимное влияние электрических полей токов утечки в грунте от близко расположенных электродов контура заземления. В результате этого влияния потенциал каждого электрода оказывается зависимым не только от собственного тока, стекающего в грунт, но и от всех других токов. Грубая аналогия такова, что протекая в одной и той же части проводящего пространства, один ток как бы “мешает” другому. В результате суммарная проводимость контура заземления оказывается заметно меньше суммы проводимостей элементов, которые входят в его состав. Различие тем сильнее, чем больше электродов в контуре и чем с меньшим шагом они размещаются. Отношение

часто называют коэффициентом использования заземлителя, в состав которого входит N элементов. 

Насколько существенны последствия взаимного влияния электродов можно судить по данным компьютерных расчетов на рис. 2 и 3, где представлены значения коэффициентов использования для вертикальных стержней, забитых в грунт от поверхности земли с шагом, равным их длине, а также для горизонтальных параллельных полос, причем расстояния между полосами тоже равны их длине. Даже в такой простейшей конструкции значение Kисп достаточно быстро снижается с ростом числа электродов. 

В сложившейся практике инженерных расчетов значения коэффициентов использования вводятся в качестве поправочных сомножителей, когда суммарная проводимость контура заземления представляется суммой проводимости отдельных электродов, входящих в его состав. Не взирая на кажущуюся простоту оценок, проблема достоверности расчета встает здесь очень остро. Значения коэффициентов использования приведены в различных справочных руководствах, но, как правило, без указаний 

Рис. 2. Расчетные значения коэффициента использования вертикальных стержней, установленных по прямой; шаг установки равен длине стержней, l/r0 = 1000.



Рис. 3. Расчетные значения коэффициента использования горизонтальных, параллельных шин; шаг установки равен длине шины, l/r0 = 1000.

источника происхождения. Нередко авторы просто ограничиваются указанием, что представленные значения коэффициентов извлечены из опыта. Читателю остается гадать, что это за опыт и какова реальная точность оценок на его основе. Подобный подход не может не вызывать беспокойства, поскольку у сложных контуров заземления реальные значения коэффициентов использования очень малы, Kисп < 0,1, а потому именно этот параметр определяет достоверность расчета сопротивления заземления. В сказанном легко убедиться по расчетным данным на рис. 4. Там построена зависимость Kисп от числа ячеек контура заземления, выполненного в виде горизонтальной сетки с шагом ячеек 10х10 м2; сетка размещена в грунте на глубине 0,5 м от поверхности земли; во всех узлах сетки размещены вертикальные стержни длиной 5 м; радиус всех заземляющих проводников – 10 мм. Величина Kисп приближается к 0,1 уже при длине контура ~ 100 м – вполне скромный размер для многих промышленных объектов, например, электроэнергетических. 

Применение табличных коэффициентов использования полностью лишается смысла, когда помимо сопротивления заземления требуется вычислять шаговые напряжения или напряжения прикосновения, поскольку нужное для этого распределение электрического поля по поверхности земли определяется с недопустимо низкой точностью.

В настоящее время в связи с массовым внедрением компьютерной техники проектирование заземлителей на основании коэффициентов использования потеряло актуальность. Алгоритм строгого численного расчета сопротивлений заземления, шаговых напряжений и напряжения прикосновения успешно разработан на основе доказанной в электродинамике аналогии электростатического поля и поля постоянного тока в проводящей среде. В частности это позволяет использовать для расчета заземлителей хорошо апробированные методы зеркального отражения и эквивалентных зарядов. Применительно к контурам заземления последний метод справедлив, когда длина заземляющих электродов l много больше их эквивалентного радиуса r0. В практически значимых ситуациях условие выполняется с большим запасом, поскольку обычно l/r0 > 102.

4. Алгоритм компьютерного расчета (к содержанию)

Каждый из вертикальных и горизонтальных электродов контура заземления рассматривается как расчетный отрезок, в пределах которого принимается постоянной погонная плотность тока утечки в грунт. Расчет сводится к выражению потенциала каждого из N отрезков через его собственную погонную плотность тока утечки в грунт j, плотности тока утечки всех других расчетных отрезков, а также их зеркальных отображений (если таковые имеются). Потенциал любого из отрезков, например k-го, можно связать с погонной плотностью собственного тока утечки в грунт jk и с погонными плотностями токов утечки всех других расчетных отрезков однотипным линейным алгебраическим уравнением

(1) 

Здесь akm – потенциальный коэффициент, связывающий потенциал k-го отрезка с погонной плотностью тока утечки в грунт jm c m- го расчетного отрезка. В изотропной среде для протяженных электродов справедливо

, (2) 

где xm1 и xm2 – координаты начала и конца m- го отрезка на оси координат, совпадающей с осью отрезка, x0 - координата проекции расчетной точки k – го отрезка (например, его середины) на ось m- го отрезка, а P – кратчайшее расстояние от этой точки до m - ой оси.

При расчете потенциального коэффициента akk для собственного тока P = r0k, где последняя величина является эквивалентным радиусом k- го отрезка. Аналогичные выражения справедливы и для отраженных токов

Систему (1) из N однотипных уравнений можно разрешить относительно плотностей токов утечки всех расчетных отрезков длины Dx и тем самым найти полный ток через заземлитель

, (3) 

который позволяет определить сопротивление заземления. В частности, для практически важного случая, когда можно пренебречь малым падением напряжения в шинах заземлителя по сравнению с напряжением на нем, разрешая систему для U = 1, получаем Rз = 1/Iз. 

Препятствием для использования метода при расчете заземляющих устройств являлся только большой объем вычислений. При описании практических конструкций приходилось вычислять 104 – 106 потенциальных коэффициентов, а затем решать систему из 100 – 1000 уравнений. В настоящее время подобная задача легко разрешима с помощью рядовой вычислительной техники и соответствующего программного обеспечения, реализующего разобранный алгоритм. 

В случае, когда проводящая среда занимает половину пространства, граница между воздухом и землей представляется плоской, а для ее условной ликвидации в расчете производится зеркальное отражение всех заземляющих электродов, при котором направление тока утечки от электродов в грунт не меняется на обратное. Далее расчет производится как в неограниченной изотропной проводящей среде, причем в выражениях потенциалов контрольных точек учитываются не только реальные токи, но и зеркально отраженные. Остается добавить, что метод зеркальных отражений удается использовать и при расчете контуров заземления в двуслойных грунтах, хотя в этой ситуации он приводит к бесконечному сходящемуся ряду отраженных зарядов. 

В численном решении на основе развитого алгоритма значение сопротивления заземления любого контура получается непосредственно, без каких бы то ни было поправок на коэффициенты использования. Более того, если это необходимо, коэффициенты использования для элементов контура сами по себе можно найти, исходя из полученного решения. Именно так они вычислялись для зависимостей, представленных на рис. 2 - 4. При необходимости расчетные программы дополняются блоками для поиска распределения потенциалов по площади контура заземления и в его ближайших окрестностях, что позволяет вычислять шаговые напряжения и напряжения прикосновения. Единственным параметром, который должен вводиться в программу кроме геометрических размеров и координат расположения заземляющих электродов, является удельное сопротивление грунта.

5. Измерения сопротивления заземления (к содержанию)

Чаще всего такие измерения проводят для постоянного тока или переменного тока промышленной частоты. Измерительные приборы реализуют метод вольтметра-амперметра: при помощи вспомогательного электрода от специального генератора вводят ток i в измеряемый контур и регистрируют напряжение на контуре Uз; частное от его деления на ток равно сопротивлению заземления. Некоторую проблему создает измерение напряжения. С этой целью прибор должен быть подключен между контуром и вспомогательным потенциальным электродом, который нужно ввести в грунт в месте с потенциалом jэ , близким к нулю, поскольку величина d = jэ/Uз определяет относительную методическую погрешность измерения. Требование легко выполнить для заземлителя ограниченных размеров. Так, уже на расстоянии 30 м от заземлителя в виде горизонтальной полосы потенциал на поверхности грунта составляет менее 10% от

потенциала заземлителя Uз. Чтобы добиться подобного для контура в виде сетки из горизонтальных полос 200х200 м2 (шаг сетки 10х10 м2) потенциальный электрод пришлось бы удалять на полкилометра (рис. 5). Во многих практических ситуациях подобное просто невозможно выполнить, а ввод поправок на реальное распределение потенциала никак не способствует точности контрольных измерений.

6. Измерения удельного сопротивления грунта (к содержанию)

Неоднородность состава грунта хорошо известна геологам. Структура грунта может очень сильно меняться по глубине. Как следствие, меняется и его удельное сопротивление. При подготовке проекта проводят измерения удельного сопротивления, чтобы затем использовать полученные результаты для предварительного расчета заземлителя. Обычно используют метод вертикального электрического зондирования, который позволяет приписать измеренный результат какой-то эквивалентной глубине слоя грунта. Закономерен вопрос – для какой глубины надо проводить измерения? Первое, что приходит на ум, проконтролировать тот слой земли, где размещены заземляющие электроды. Для горизонтального контура такая глубина не превысит 1 м, для вертикальных стержней – нескольких метров, поскольку вертикальные электроды длиной более 10 м используются редко. Попытаемся разобрать вопрос о глубине проникновения ток в грунт более подробно.

Рассмотрим простейшую ситуацию. Пусть горизонтальная шина длиной l и радиусом r0 << l лежит на глубине t в слое однородном толщиной h. Слой характеризуется удельным сопротивлением r1. Под ним располагается еще один слой удельным сопротивлением r2 неограниченной толщины. Попытаемся оценить, при какой толщине первого слоя только его проводимость будет определять сопротивление заземления шины. Задача имеет аналитическое решение, хотя и не слишком удобное для вычислений. Проще решать задачу численно, использовав метод зеркальных отражений. Результаты двух типичных компьютерных расчетов показаны на рис. 6. В первом их них длина шины принята равной 10 м, во втором – 100 м. Удельное сопротивление верхнего слоя грунта 100 Ом м, нижнего 1000 Ом м. Расчетные значения сопротивления заземления нормированы сопротивлениями заземления шин, которые получены в однородном грунте с r = 100 Ом м и при t = 0,5 м равны Rз0 = 14,7 Ом для шины длиной 10 м иRз0 = 2,2 Ом для более длинной.

Нетрудно убедиться, что чем длиннее шина, тем более глубинные слои грунта

использует она для растекания тока. В результате в двухслойном грунте сопротивление заземления отличается от того, что имеет место в однородной среде, не более, чем на 10%, если толщина верхнего слоя близка к длине заземляющей шины, т.е. при h» 10 м для l = 10 м и при h» 100 м для l = 100 м. В еще более явном виде отмеченная тенденция проявляется для контуров заземления. Расчетные зависимости на рис. 7 относятся к сетке из 

горизонтальных шин с ячейками 10х10 м2. Все другие условия расчета не изменились. Теперь даже при толщине верхнего слоя, равного длине стороны квадратного контура погрешность определения сопротивления заземления не становится меньше 50%, если не учитывать нижний высокоомный слой грунта. 

Разобранные примеры заставляются задуматься над сложившейся методикой измерений сопротивления заземления. Часто контролируют верхний слой грунта толщиной порядка 1 м, где сильно проявляются сезонные изменения, и как бы в противовес ему стабильный грунт на глубине примерно в 10 раз большей. По результатам таких измерений оценивается эквивалентное удельное сопротивление однородной среды , на основе которого и выполняются оценочные расчеты. Если для заземлителей относительно малой (~ 10 – 20 м) протяженности подобный подход хоть сколько-нибудь оправдан, то для больших контуров заземления промышленных предприятий с характерным размером более 100 м ошибка может достигать сотен процентов, когда удельное сопротивление грунта на строительной площадке значительно меняется по глубине. Характеристики грунта нужно знать от поверхности земли до глубины, соизмеримой с максимальным габаритным размером проектируемого контура заземления.

7. Роль сезонных изменений проводимости грунта (к содержанию)

Метод анализа, использованный в предыдущем разделе, полезен и для оценки влияния на работу заземлителя сезонных изменений грунта. По сути дела речь идет о совершенно аналогичной задаче. Надо подсчитывать сопротивление заземления в двухслойной среде, где удельное сопротивление верхнего относительно тонкого ( ~ 1 м) слоя сильно нарастает за счет обезвоживания. Результат легко прогнозировать на основании уже выполненных оценок: даже при поверхностном размещении заземляющих электродов сезонные изменения грунта должны будут сказываться на сопротивлении заземления тем в меньшей степени, чем больше габаритные размеры контура. Сказанное

хорошо подтверждается компьютерными расчетами (рис. 8). При десятикратном увеличении сопротивления заземления верхнего слоя толщиной 1 м сопротивление заземления горизонтального контура 10х10 м2 выросло почти в 4,5 раза, когда как Rзкрупногабаритного контура 100х100 м2 в тех же условиях возросло только на 75%. Если же провести аналогичный анализ для заземляющей горизонтальной сетки 200х200 м2, можно убедиться что эффект высыхания верхнего слоя грунта едва превысит 40%.

8. Об индивидуальном заземлении молниеотводов (к содержанию)

Подобное не запрещается ПУЭ, когда это необходимо защищаемому объекту по технологическим соображениям. Закономерен вопрос: “Что требуется от индивидуального заземления?” И хотя ответ очевиден, его полезно воспроизвести, - ток молнии после удара в молниеотвод должен уйти в землю, минуя заземлитель объекта. В ПУЭ и в инструкции РД 34.21.122-87 представлены минимально допустимые расстояния Sз между заземляющими электродами объекта и молниеотвода. Например, согласно РД 34.21.122-87 для грунта удельным сопротивлением 100 Ом м предписано Sз ³ 5 м.

Нетрудно оценить, как поведет себя ток молнии, стекающий с индивидуального заземлителя молниеотвода. Для этого достаточно помнить, что даже для высоко проводящих грунтов ( r ~ 100 Ом м) их удельное сопротивление примерно в 109 раз больше удельного сопротивления заземляющих электродов. Именно по этой причине значительная доля тока молнии из заземлителя молниеотвода направится к близко расположенным заземляющим электродам объекта, распространится по ним, насколько это возможно, и только затем уже окончательно уйдет в землю. Задача поддается численному решению, причем ее результат зависит только от расстояния между заземлителями объекта и молниеотвода, но практически не зависит от удельного сопротивления грунта. Значит, в какой-то мере решение является универсальным.

Результаты, представленные на рис. 9, относятся к горизонтальной сетке с шагом ячеек 10х10 м2. Сетка уложена в грунт на глубину 0,7 м; молниеотвод со своим заземлителем находится в центре центральной ячейки контура. На левом рисунке жирными линиями выделены ячейки контура заземления, которые собирают на себя ток молнии. Все они группируются у основания молниеотвода. На правом рисунке в увеличенном масштабе изображены центральные ячейки с цифрами у каждой из шин. Цифры дают в процентах долю тока молнии, втекающего в шину. Легко просуммировать ток, собранный всеми шинами контура заземления объекта. В совокупности получится не меньше 50%! Таким образом, устройство индивидуального заземлителя не выполняет главной задачи, - при нормированных изоляционных расстояниях к объекту продолжает поступать значительная часть тока молнии.

Чтобы исправить положение, молниеотвод надо удалить от объекта (и от его контура заземления) на значительное расстояние, по крайней мере, на десятки метров. В случае стержневых молниеотводов это трудно сделать, поскольку с увеличением расстояния для надежной защиты от прямых ударов молнии надо увеличивать высоту молниеприемника. Использование тросовых молниеотводов здесь намного предпочтительнее. Опоры, удерживающие тросы, можно вынести далеко за пределы размещения контура заземления объекта и заземлить их именно там. Приходится сожалеть, что по традиции, без каких-то бы то ни было разумных причин проектировщики предпочитают избегать тросовых молниеотводов на всех объектах, кроме линий электропередачи. 

Располагая молниеотвод в пределах контура заземления объекта, можно попытаться избежать его нагрузки током молнии, устроив у молниеотвода глубинный заземлитель. С этой целью сам молниеприемник и его токоотвод должны быть изолированы от земли на полное напряжение, которое выделяется на сопротивлении заземления молниеотвода Rз от тока молнии IМ, Uз = RзIМ. Как правило, речь пойдет о напряжении ~ 1 МВ. Изолированный токоотвод опускается в специально пробуренную скважину на глубину 30 – 40 м и только там его открытый конец контактирует с землей. Так удается удалить точку ввода в грунт тока молнии и очень существенно сократить ту его долю, что направляется к контуру заземления объекта.

Помимо очень существенного увеличения стоимости молниеотвод с глубинным заземлителем имеет еще один принципиальный недостаток. Он связан с задержкой начала работы заземлителя. Чтобы добраться до земли, волна тока молнии должна пробежать изолированный участок молниеотвода длиной до 40 м. Скорость ее распространения, равная скорости электромагнитной волны, снизится от 300 м/мкс в вакууме примерно вдвое из-за достаточно высокой относительной диэлектрической проницаемости толстого слоя изоляции токоотвода и грунта. В результате время пробега составит 0,2 - 0,25 мкс. Столько же займет движение обратной волны. Только после ее появления у основания молниеотвода (т.е. через 0,4 – 0,5 мкс) напряжение на нем начнет реально снижаться, указывая на начало работы заземлителя. Запаздывание в пределах 0,5 мкс – это очень серьезно. У последующих компонентов ток молнии может успеть вырасти за такое время вплоть до амплитудного значения. Ток налицо, а заземлитель еще не начал работать. В таком мало хорошего.

Выбирая между глубинным заземлителем и тросовым молниеотводом, опоры которого можно удалить от защищаемого объекта, предпочтение несомненно надо отдавать тросу. В рассматриваемом отношении у него нет иных недостатков, кроме пристрастного отношения проектировщиков.

9. Импульсное сопротивление заземления (к содержанию)

С этим термином возможна небольшая путаница, потому что часто его связывают не просто с растеканием в земле импульсов тока микросекундной длительности, но импульсов большой амплитуды, свойственной токам молнии. Таким образом смешиваются два принципиально разных процесса: относительно медленное проникновение