Молниеотвод

Молниеотвод (громоотвод). Рисунок

Молниеотво́д (громоотвод) — устройство, предназначенное для защиты зданий и сооружений от разрушительных последствий ударов молнии. Молниеотвод принимает удар молнии и безопасно отводит её ток в землю. В конструкцию включены опоры, молниеприёмник, который принимает электрический разряд во время грозы и токоотвод, или заземлитель, отводящий электричество в землю и обеспечивающий его растекание. Оборудование строений молниеотводом защищает их от прямого попадания электрического заряда и последующих пожаров и разрушений.

Широко употребляемое слово «громоотвод» фактически является народным названием (буквально «отводитель грома»); корректнее называть устройство «молниеотвод», так как оно отвлекает именно молнию (электрический разряд).

Принцип работы молниеотвода

Принцип действия основан на том, что молния обычно бьёт в наиболее высокий и хорошо проводящий объект на местности. Молниеотвод, будучи самым высоким заострённым проводником, «перехватывает» разряд молнии за мгновение до того, как он достигнет конструкции здания, и безопасно проводит электрический ток в землю в обход защищаемого строения. Таким образом, энергия грозового разряда рассеивается в грунте, не нанося ущерба самому зданию. Вокруг молниеотвода формируется так называемая зона защиты — пространство, внутри которого вероятность прямого удара молнии по объекту сведена к минимуму.

Для одиночного стержневого молниеотвода зона защиты имеет форму конуса с углом около 45° при вершине. Объект, полностью находящийся внутри этого воображаемого конуса, практически неуязвим для прямых попаданий (вероятность порядка 1 из 10 000). Если же используется несколько молниеотводов, их защитные зоны пересекаются и суммарно охватывают бо́льшую область — так, зона защиты двух правильно расположенных стержневых молниеотводов превышает простую сумму зон каждого по отдельности. Именно за счёт формирования таких зон молниезащиты громоотводы эффективно предохраняют здания, устраняя прямой контакт молнии с конструкциями и перенаправляя разрушительную силу грозового разряда в землю.

Виды молниеотводов

Существует несколько основных разновидностей молниеотводов, отличающихся конструкцией молниеприёмной части. Наиболее распространённые типы — стержневые, тросовые и сетчатые.

Стержневой молниеотвод представляет собой вертикально расположенный металлический стержень (штырь или мачту), поднятый над защищаемым объектом. Такой молниеприёмник концентрирует разряд в одной точке и применяется для защиты зданий, труб, вышек и т. д.

Тросовый громоотвод — это протяжённый провод (металлический трос), натянутый горизонтально между двумя опорами выше объекта защиты. Тросовые молниеприёмники часто используются для линий электропередачи и протяжённых сооружений: грозовой разряд перехватывается тросом, протянутым над объектом, и уходит через опоры в землю.

Сетчатый молниеотвод представляет собой сеть из перекрещивающихся проводников (металлическая сетка), установленных над защищаемой площадью либо уложенных на крыше здания. Сетчатые молниеприёмники создают экранирующую Фарадееву клетку, принимая удар молнии любой точкой сети и распределяя ток по нескольким путям к заземлителям.

Часто на практике применяются комбинированные системы — например, сетка на крыше в сочетании со стержневыми молниеприёмниками по углам здания. Выбор типа громоотвода зависит от особенностей объекта: высоты и площади строения, категории молниезащиты, ландшафта и т. п.

Помимо отдельно стоящих молниеотводов, возможно использование естественных молниеприёмников — конструктивных элементов самого здания в роли громоотвода. Например, если здание имеет металлическую кровлю, шпиль, каркас из стальных балок или высокую металлическую трубу — эти элементы при соответствующем соединении и заземлении могут выполнять функции молниеприёмника и токоотвода одновременно.

Стальные мачты, башенные краны, железобетонные каркасы с подключенной арматурой нередко служат естественными громоотводами, поскольку уже возвышаются над объектом и имеют проводящую связь с землёй. Важно, чтобы такие естественные молниеприёмники удовлетворяли требованиям по непрерывности металла и достаточности сечения. Например, толщина металлической кровли или трубы должна быть не менее нормативной, чтобы выдержать многократные удары молнии без прожигания. Во всех случаях, будь то отдельный стержень или металлическая конструкция здания, молниеотвод оснащается надёжным заземляющим устройством для рассеивания тока в грунте.

Нормативные требования в России

Молниеотвод с заземлением у водосточной трубы

Проектирование и установка громоотводов в России регламентируются государственными стандартами и правилами. Любая система молниезащиты должна соответствовать ряду нормативных документов, которые устанавливают её состав, параметры и методы проверки. В действующей «Инструкции по устройству молниезащиты зданий и сооружений» (СО 153-34.21.122-2003, утверждённой Минэнерго Российской Федерации) указано, что внешняя молниезащитная система включает в себя молниеприёмники, токоотводы и заземлители, обеспечивающие безопасное отведение и растекание тока молнии в земле. Нормативы предписывают минимальные требования к этим элементам.

Так, согласно стандартам, у каждого громоотвода должно быть не менее двух токоотводов (спусков) для надёжного отвода тока — они обычно размещаются с разных сторон здания, по возможности ближе к углам, чтобы ток разделялся на несколько параллельных путей и снижался риск опасного искрения.

Токоотводы должны выполняться из проводников с определённым минимальным сечением (в зависимости от материала: для стали, меди, алюминия нормативы различаются) и прочно крепиться к конструкции, исключая их разрыв при мощном импульсе тока или порывах ветра. Заземлитель громоотвода (контур заземления) обязан обеспечивать малое сопротивление растеканию тока — как правило, достигаемое за счёт группы вертикальных заземляющих электродов и соединяющей их полосы металла в грунте.

Нормами также устанавливаются категории (уровни) молниезащиты объектов, от которых зависят требования к громоотводам. Традиционно в российской практике выделяли I, II и III категории молниезащиты. К I категории относятся особо опасные и критически важные объекты (например, взрыво-пожароопасные производства, крупные энергоустановки), которым предъявляются самые высокие требования надёжности защиты; III категория — это обычные здания с относительно невысоким риском, для них нормы допускают более простую систему защиты.

Для объектов I и II категории, например, регламентируется более малая площадь, прикрываемая одним молниеотводом, и чаще требуется установка нескольких молниеприёмников, чтобы достичь требуемой надёжности (не менее 0,99) в зоне защиты. С введением в российскую практику международных стандартов IEC 62305 появились понятия четырёх уровней молниезащиты (I—IV), близкие по сути к прежним трём категориям.

Конкретные параметры (радиус зоны защиты, допустимое расстояние между токоотводами, сопротивление заземления и т. д.) устанавливаются соответствующими ГОСТ и сводами правил. Например, нормативный документ ГОСТ Р 12.1.030-2007 (ССБТ) и отраслевые стандарты по электробезопасности содержат требования к защитному заземлению и молниезащите электроустановок, а Свод правил СП 153.13130.2013 регламентирует молниезащиту объектов железнодорожной инфраструктуры с точки зрения пожарной безопасности.

Кроме того, федеральное законодательство напрямую обязывает оснащать здания системами молниезащиты. В Техническом регламенте о требованиях пожарной безопасности (ФЗ-123) отдельно указано, что одним из обязательных способов предотвращения возгораний является устройство молниезащиты зданий, сооружений и оборудования. Таким образом, наличие исправного громоотвода — не только вопрос безопасности, но и требование закона для большинства капитальных строений.

Применение и обслуживание

Попадание электрического разряда в молниеотвод Си-Эн Тауэр в Торонто в 2008 году.

Область применения громоотводов охватывает практически все сферы, где необходимо уберечь объекты от грозовых ударов. Молниеприёмники устанавливаются на жилых домах, административных и общественных зданиях, промышленных сооружениях, складах горючих материалов, линиях электропередачи, мачтах связи, вышках и т. д.

В энергетике молниеотводы защищают трансформаторные подстанции (обычно над каждым силовым трансформатором возводится свой стержневой громоотвод). Громоотводы также применяются для защиты открытых складов, нефтебаз и взрывоопасных зон. Вокруг таких объектов могут устанавливаться высокие молниеприёмные мачты, образующие зону защиты над опасной территорией.

В высотных зданиях элементы молниезащиты часто интегрированы в конструкцию — металлические шпили, каркасы, кровли служат молниеприёмниками при условии надежного заземления.

Для протяжённых объектов инфраструктуры применяют особые решения: например, над проводами воздушных линий электропередачи прокладываются заземлённые грозозащитные тросы, которые перехватывают разряд молнии и тем самым снижают количество аварийных отключений линий. Существуют и специальные молниеприёмники для подвижных объектов — например, на взлётно-посадочных полосах аэропортов и на кораблях, где мачты выполняют функцию громоотвода, а самолёты защищены встроенными проводниками на поверхности фюзеляжа. Таким образом, любая конструкция, подвергающаяся риску удара молнии, должна быть оборудована системой молниезащиты согласно нормативам.

Чтобы громоотвод надёжно выполнял свою функцию, крайне важно поддерживать его в исправном состоянии. Обслуживание молниезащиты включает в себя регулярные проверки, профилактический осмотр и при необходимости ремонт или замену элементов. Нормативные документы предписывают проводить проверку устройств молниезащиты не реже одного раза в год — как правило, перед началом грозового сезона весной.

Для особо ответственных объектов (категории I и II) осмотр должен быть ежегодным, тогда как для объектов категории III допускается проверка раз в три года. Внеплановые проверки обязательны после каждого известного удара молнии в объект или при обнаружении повреждений.

Типовая процедура технического обслуживания громоотвода включает визуальный осмотр всех внешних компонентов. Проверяется целостность молниеприёмников (нет ли трещин, следов плавления или отгорания наконечников), непрерывность и целостность токоотводов по всей длине, надёжность их крепления к стенам и опорам, исправность соединений между всеми частями системы.

Особое внимание уделяется состоянию заземляющего контура. Измеряется сопротивление заземления, которое не должно превышать нормативное значение (обычно несколько десятков ом или ниже, в зависимости от категории объекта). Поскольку с течением времени грунт и металлы меняют свои свойства (коррозия электродов, иссушение почвы и т. д.), периодический замер сопротивления позволяет убедиться, что способность системы рассеивать ток молнии осталась достаточной.

Если измерения показывают рост сопротивления сверх нормы, заземлители очищают от коррозии, увлажняют или расширяют контур, добавляя дополнительные электроды. Все выявленные дефекты должны немедленно устраняться: например, прожжённые или отслоившиеся фрагменты молниеприёмников заменяются, ослабленные контактные соединения подтягиваются или перестыковываются на новые, повреждённые проводники токоотвода меняются на исправные.

После сильных гроз рекомендуется внеочередной осмотр. Нередко мощный удар молнии может механически повредить молниезащитное устройство, о чём свидетельствуют оплавленные концы стержней или тросов и расплавленные участки соединений. Надлежащая эксплуатация и сервисное обслуживание системы молниезащиты — залог её эффективности. Только исправный громоотвод гарантированно выполнит свою задачу по спасению объекта от грозового разряда.

Историческая справка

Картина «Бенджамин Франклин Получает Электричество с Небес». Художник — Бенджамин Уэст. 1816 год. Художественный музей Филадельфии

Рисунки молниеотводов из книги Людвига Кристиана Лихтенберга (Германия, 1774 год)

Молниеотвод шар-солнце на шпиле Невьянской башни

Пример современного молниеотвода. Венгрия, 2019 год

Концепция громоотвода в современном понимании возникла во второй половине XVIII века, однако попытки защититься от молнии предпринимались и в более ранние эпохи. Из исторических источников известно, что ещё в Древнем Египте вокруг храмов устанавливались высокие заострённые столбы, покрытые металлом — вероятно, для «отвода небесного огня» во время гроз. Похожие приспособления описаны в легендах о храме царя Соломона в Иерусалиме.

Тем не менее официальным изобретателем молниеотвода считается американский учёный Бенджамин Франклин, который в 1752 году провёл знаменитый опыт с запускаемым в грозу воздушным змеем и смог доказать электрическую природу молнии. В том же году Франклин предложил использовать заземлённый металлический стержень на крыше здания для защиты от молнии.

К осени 1752 года он установил первый такой стержневой громоотвод на крыше собственного дома в Филадельфии, и во время грозы 12 июня 1753 года устройство успешно перехватило грозовой разряд. Этот случай считается первым практическим подтверждением работоспособности молниеотвода.

Открытие быстро привлекло внимание учёных и инженеров: в последующие годы «франклиновы стержни» стали появляться на зданиях в Англии, а к 1760 году первый громоотвод установили и на маяке Эддистоун в Британии. Во Франции молниеотводы впервые применили в 1773 году на Дижонской академии, а к 1780-м годам их начали массово монтировать на высоких общественных зданиях по всей Европе.

В Российской империи о прогрессивном изобретении Франклина стало известно довольно скоро. Сообщение о новом способе защиты от молнии появилось в «Санкт-Петербургских ведомостях» уже в 1752 году. Более того, в 1753 году российские учёные Михаил Васильевич Ломоносов и Георг Вильгельм Рихман сконструировали и установили в Петербурге первые опытные громоотводы, пытаясь воспроизвести результаты Бенджамина Франклина.

К сожалению, во время одной из гроз летом 1753 года Георг Рихман трагически погиб от бокового ответвления молнии при эксперименте с молниеприёмником. Это несколько охладило энтузиазм современников к новому устройству.

Массовое внедрение молниеотводов в России началось спустя несколько десятилетий, при непосредственном участии высшей власти. Первый штатно установленный громоотвод в России появился на вершине Петропавловского собора в Санкт-Петербурге в 1786 году по указанию императрицы Екатерины II. Вскоре громоотводы стали монтировать и на других значимых сооружениях столицы и крупных городов — в том числе на шпилях дворцов, колокольнях, башнях.

Интересно, что русский язык обогатился самим словом «громоотвод» приблизительно в тот же период. Оно прижилось, несмотря на возражения некоторых учёных (предлагавших термин «молниеотвод»), и длительное время использовалось в быту и литературе. Со временем, однако, техническая литература и нормативы закрепили именно слово «молниеотвод» как более точное, подчёркивающее работу с молнией, а не с громом.

Примечательно, что в истории отечественной техники был случай опережающего применения принципа громоотвода. На знаменитой наклонной башне в Невьянске (Урал) — промышленной башне-колокольне заводчика Акинфия Демидова — ещё в первой половине XVIII века имелась сложная металлическая конструкция на шпиле, которая фактически выполняла роль молниеприёмника и заземлителя. На шпиле Невьянской башни был установлен большой металлический шар с радиально торчащими острыми шипами (так называемый «шар-солнце»), соединённый с внутренним каркасом башни и через него — с землёй.

Современные исследования показали, что эта система представляла собой ранний вариант громоотвода: молнии, ударявшие в башню, притягивались к заострённым шипам шара и ток разряда уходил по металлическим стержням внутри башни в грунт. На сохранившихся фрагментах того «шара-солнца» до сих пор видны оплавленные отверстия и разрушенные шипы — следы сильнейших ударов молнии, перенесённых башней без катастрофических последствий.

Хотя официально громоотводы в России получили распространение лишь с 1780-х годов, пример Невьянской башни свидетельствует, что практические решения для защиты от молний возникали и раньше, на уровне инженерной интуиции выдающихся умельцев. С тех пор молниезащита прошла большой путь развития, но цель её остаётся прежней — уберечь созданные человеком сооружения от грозовой стихии, направив разрушительную энергию молнии в мирное русло.