Что делать во время грозы? Как защититься от молнии? Как уберечься от удара молнии: советы, которые следует знать каждому

Молния всегда будила фантазию человека и стремление познавать мир. Она принесла на землю огонь, приручив который, люди стали могущественнее. Мы пока не рассчитываем на покорение этого грозного природного явления, но хотели бы «мирного сосуществования». Ведь чем совершеннее создаваемая нами техника, тем опаснее для нее атмосферное электричество. Один из способов защиты - заранее, с помощью специального имитатора, оценивать уязвимость промышленных объектов для тока и электромагнитного поля молнии.

Любить грозу в начале мая легко поэтам и художникам. Энергетик, связист или космонавт от начала грозового сезона в восторг не придет: слишком большие неприятности он обещает. В среднем на каждый квадратный километр территории России ежегодно приходится около трех ударов молний. Их электрический ток доходит до 30 000 А, а у самых мощных разрядов может превысить 200 000 А. Температура в хорошо ионизированном плазменном канале даже умеренной молнии может достигать 30000 °С, что в несколько раз больше, чем в электрической дуге сварочного аппарата. И конечно, это не сулит ничего хорошего многим техническим объектам. Пожары и взрывы от прямого попадания молнии хорошо знакомы специалистам. А вот обыватели риск подобного события явно преувеличивают.

Наконечник флагштока останкинской телебашни. Видны следы оплавленияВ реальности «небесная электрозажигалка» не столь уж эффективна. Представьте: вы пытаетесь развести огонь во время урагана, когда из-за сильного ветра трудно зажечь даже сухую солому. Еще мощнее воздушный поток от канала молнии: ее разряд рождает ударную волну, громовой раскат которой срывает и гасит пламя. Парадокс, но слабая молния пожароопаснее, особенно, если по ее каналу в течение десятых долей секунды (целая вечность в мире искровых разрядов!) протекает ток около 100 А. Последний мало чем отличается от дугового, а электрическая дуга подожжет все, способное гореть.

Впрочем, для здания обычной высоты попадание молнии — явление не частое. Опыт и теория показывают: она «притягивается» к наземному сооружению с расстояния, близкого к трем его высотам. Десятиэтажная башня соберет около 0,08 молний ежегодно, т.е. в среднем 1 удар за 12,5 лет эксплуатации. Дачный домик с мансардой — примерно в 25 раз меньше: в среднем владельцу придется «ждать» около 300 лет.

Но не будем и преуменьшать опасность. Ведь если молния ударит хотя бы в один из 300-400 поселковых домов, местные жители вряд ли сочтут это событие ничтожным. А есть объекты гораздо большей протяженности — скажем, линии электропередачи (НЭП). Их длина вполне может превысить 100 км, высота — 30 м. Значит, справа и слева каждая из них соберет удары с полос шириной по 90 м. Общая площадь «стягивания» молний превысит 18 км2, их число — 50 за год. Разумеется, стальные опоры линии при этом не сгорят, провода не расплавятся. В наконечник флагштока Останкинской телебашни (Москва) молнии ударяют примерно 30 раз в год, однако ничего страшного не происходит. А чтобы понять, чем они опасны для ЛЭП, нужно познать природу электрических, а не термических воздействий.

ГЛАВНАЯ СИЛА МОЛНИИ

При ударе в опору электрической линии ток стекает в землю через сопротивление заземления, которое, как правило, составляет 10-30 Ом. При этом даже «средняя» молния, с током 30 000 А, создает напряжение 300-900 кВ, а мощная — в несколько раз больше. Так возникают грозовые перенапряжения. Если они достигают мегавольтного уровня, изоляция ЛЭП не выдерживает и пробивается. Происходит короткое замыкание. Линия отключается. Еще хуже, когда канал молнии прорывается непосредственно к проводам. Тогда перенапряжение на порядок выше, чем при поражении опоры. Борьба с этим явлением и сегодня остается трудной задачей электроэнергетиков. Причем по мере совершенствования техники ее сложность лишь нарастает.

Останкинская телебашня выступила в роли молниеотвода, пропустив удар молнии на 200 м ниже вершиныЧтобы удовлетворить стремительно растущие потребности человечества в энергии, современные электростанции должны объединяться в мощные системы. В России сейчас функционирует единая энергетическая система: все ее объекты работают взаимосвязанно. Поэтому случайный выход из строя даже одной ЛЭП или электростанции может привести к серьезным последствиям, похожим на происшедшее в Москве в мае 2005 г. В мире отмечено немало системных аварий по вине молний. Одна из них — в США в 1968 г. нанесла многомиллионный ущерб. Тогда грозовой разряд отключил одну ЛЭП, и энергосистема не справилась с возникшим дефицитом энергии.

Неудивительно, что защите ЛЭП от молний специалисты уделяют должное внимание. По всей длине воздушных линий напряжением 110 кВ и более подвешивают специальные металлические тросы, стремясь сверху уберечь провода от прямого попадания. Их изоляцию максимально усиливают, сопротивление заземления опор предельно снижают, а для дополнительного ограничения перенапряжений используют полупроводниковые устройства, подобные тем, что защищают входные цепи компьютеров или высококачественных телевизоров. Правда, их сходство — только в принципе действия, рабочее же напряжение для линейных ограничителей исчисляется миллионами вольт — оцените масштабы затрат на защиту от молнии!

Часто спрашивают, реально ли спроектировать абсолютно молниестойкую линию? Ответ однозначный — да. Но тут неизбежны два новых вопроса: кому это надо и сколько будет стоить? Ведь если нельзя повредить надежно защищенную ЛЭП, то можно, например, сформировать ложную команду на отключение линии или просто разрушить низковольтные цепи автоматики, которые в современном исполнении построены на микропроцессорной технике. Рабочее напряжение микросхем с каждым годом снижается. Сегодня оно исчисляется единицами вольт. Вот где простор для молнии! И нет нужды в прямом ударе, ибо она способна действовать дистанционно и сразу на больших площадях. Главным ее оружием становится электромагнитное поле. Выше говорилось о токе молнии, хотя для оценки электродвижущей силы магнитной индукции важен и ток, и скорость его роста. У молнии последняя может превышать 2 . 1011 А/с. В любом контуре площадью 1 м2 на расстоянии 100 м от канала молнии такой ток наведет напряжение примерно вдвое выше, чем в розетках жилого дома. Не нужно большой фантазии, чтобы представить судьбу микросхем, рассчитанных на напряжение порядка одного вольта.

В мировой практике известно множество тяжелых аварий из-за разрушения цепей управления грозовым разрядом. В этот перечень попадают повреждения бортовой аппаратуры авиалайнеров и космических кораблей, ложные отключения сразу целых «пакетов» высоковольтных ЛЭП, выход из строя аппаратуры антенных систем мобильной связи. К сожалению, заметное место здесь занимают и «бьющие» по карману обычных граждан повреждения бытовой техники, все больше заполняющей наши дома.

ПУТИ ЗАЩИТЫ

Мы привыкли рассчитывать на защиту молниеотводами. Помните оду великого естествоиспытателя XVIII в., академика Михаила Ломоносова на их изобретение? Наш знаменитый соотечественник восторгался победой, говорил, что небесный огонь перестал быть опасным. Конечно, это приспособление на крыше жилого дома не даст молнии поджечь деревянный настил или другие горючие строительные материалы. В отношении же электромагнитных воздействий он бессилен. Совершенно безразлично, течет ли ток молнии в ее канале или по металлическому стержню молниеотвода, все равно он возбуждает магнитное поле и наводит за счет магнитной индукции во внутренних электрических цепях опасное напряжение. Для эффективной борьбы с этим молниеотвод обязан перехватывать канал разряда на отдаленных подступах к защищаемому объекту, т.е. стать очень высоким, потому что наводимое напряжение обратно пропорционально расстоянию до проводника с током.

Сегодня накоплен большой опыт использования таких конструкций разной высоты. Однако статистика не слишком утешительная. Зону защиты стержневого молниеотвода обычно представляют в виде конуса, осью которого он является, но с вершиной, расположенной несколько ниже, чем его верхний конец. Обычно 30-метровый «стержень» обеспечивает 99%-ную надежность защиты здания, если возвышается над ним примерно на 6 м. Добиться этого — не проблема. Но с увеличением высоты молниеотвода расстояние от его вершины до «прикрываемого» объекта, минимально необходимое для удовлетворительной защиты, стремительно нарастает. Для 200-метровой конструкции той же степени надежности этот параметр уже превышает 60 м, а для 500-метровой — 200 м.

В подобной роли выступает и упомянутая Останкинская телебашня: она не в состоянии защитить самое себя, пропускает удары молнии на расстоянии 200 м ниже вершины. Радиус зоны защиты на уровне земли для высоких молниеотводов также резко увеличивается: у 30-метрового он сопоставим с его высотой, у той же телебашни — 1/5 ее высоты.

Иными словами, нельзя надеяться, что молниеотводы традиционной конструкции сумеют перехватить молнию на дальних подступах к объекту, особенно если последний занимает большую площадь на поверхности земли. Значит, нужно считаться с реальной вероятностью грозового разряда в территорию электрических станций и подстанций, аэродромов, складов жидкого и газообразного топлива, протяженных антенных полей. Растекаясь в земле, ток молнии частично попадает в многочисленные подземные коммуникации современных технических объектов. Как правило, там находятся электрические цепи систем автоматики, управления и обработки информации - тех самых микроэлектронных устройств, о которых говорилось выше. Кстати, расчет токов в земле сложен даже в самой простейшей постановке. Трудности усугубляются из-за сильных изменений сопротивления большинства грунтов в зависимости от силы растекающихся в них токов килоамперного уровня, как раз свойственных разрядам атмосферного электричества. К расчету цепей с такими нелинейными сопротивлениями неприменим закон Ома.

К «нелинейности» грунта добавляется вероятность образования в нем протяженных искровых каналов. Ремонтные бригады кабельных линий связи хорошо знакомы с такой картиной. От высокого дерева на лесной опушке по земле тянется борозда, будто от сохи или старинного плуга, и обрывается точно над трассой подземного телефонного кабеля, который в этом месте поврежден - металлическая оболочка смята, изоляция жил разрушена. Так проявилось действие молнии. Она ударила в дерево, и ее ток, растекаясь по корням, создал в грунте сильное электрическое поле, сформировал в нем плазменный искровой канал. Фактически молния как бы продолжила свое развитие, только не по воздуху, а в земле. И так она может проходить десятки, а в особенно плохо проводящих ток грунтах (скальных или вечномерзлых породах) и сотни метров. Прорыв ее к объекту осуществляется не традиционным путем — сверху, а, минуя любые молниеотводы, снизу. Скользящие разряды вдоль поверхности грунта хорошо воспроизводятся в лаборатории. Все эти сложные и сильно нелинейные явления нуждаются в экспериментальном исследовании, моделировании.

Ток для рождения разряда может быть сформирован искусственным импульсным источником. Энергия около минуты накапливается в конденсаторной батарее, а потом за десяток микросекунд «выплескивается» в бассейн с грунтом. Подобные емкостные накопители есть во многих высоковольтных исследовательских центрах. Их габариты достигают десятков метров, масса — десятков тонн. Такие не доставишь на территорию электрической подстанции или другого промышленного объекта, чтобы в полном масштабе воспроизвести условия растекания токов молнии. Это удается разве что случайно, когда объект соседствует с высоковольтным стендом — например, в открытой установке Сибирского научно-исследовательского института энергетики импульсный генератор высоких напряжений размещен рядом с ЛЭП в 110 кВ. Но это, конечно, исключение.

ИМИТАТОР УДАРА МОЛНИИ

На деле же речь должна идти не об уникальном эксперименте, а о рядовой ситуации. В полномасштабной имитации тока молнии крайне нуждаются специалисты, поскольку только так можно получить достоверную картину распределения токов по подземным коммуникациям, измерить последствия воздействия электромагнитного поля на устройства микропроцессорной техники, определить характер распространения скользящих искровых каналов. Соответствующие испытания должны стать массовыми и производиться до ввода в эксплуатацию каждого принципиально нового ответственного технического объекта, как это давно делается в авиации, космонавтике. Сегодня нет иной альтернативы, кроме создания мощного, но малогабаритного и мобильного источника импульсных токов с параметрами тока молнии. Его макетный образец уже существует и успешно испытан на подстанции «Донино» (110 кВ) в сентябре 2005 г. Все оборудование разместилось в заводском прицепе от серийной «Волги».

Мобильный испытательный комплекс построен на основе генератора, который преобразует механическую энергию взрыва в электрическую. Этот процесс в основном хорошо известен: он имеет место в любой электрической машине, где механическая сила движет ротор, противодействуя силе его взаимодействия с магнитным полем статора. Принципиальное различие же состоит в исключительно высокой скорости выделения энергии при взрыве, быстро разгоняющего металлический поршень (лайнер) внутри катушки. Он за микросекунды вытесняет магнитное поле, обеспечивая возбуждение высокого напряжения в импульсном трансформаторе. После дополнительного усиления импульсным трансформатором напряжение формирует ток в испытуемом объекте. Идея этого устройства принадлежит нашему выдающемуся соотечественнику, «отцу» водородной бомбы академику А.Д. Сахарову.

Взрыв в специальной высокопрочной камере разрушает лишь катушку длиной 0,5 м и лайнер внутри нее. Остальные элементы генератора используют многократно. Схему можно настроить так, чтобы скорость роста и длительность формируемого импульса соответствовали аналогичным параметрам тока молнии. Причем его удается «вогнать» в объект большой длины, например, в провод между опорами ЛЭП, в контур заземления современной подстанции или в фюзеляж авиалайнера.

При испытаниях макетного образца генератора в камеру заложили всего 250 г взрывчатки. Этого достаточно для формирования импульса тока амплитудой до 20 000 А. Правда, для первого раза на столь радикальное воздействие не пошли — ток ограничили искусственно. При запуске установки раздался лишь легкий хлопок погашенного камерой взрыва. А проверенные затем записи цифровых осциллографов показали: импульс тока с заданными параметрами успешно был введен в молниеотвод подстанции. Датчики отметили скачок напряжения в различных точках контура заземления.

Ныне штатный комплекс в процессе подготовки. Он будет настроен на полномасштабную имитацию токов молнии и при этом разместится в кузове серийного грузовика. Взрывная камера генератора рассчитана на работу с 2 кг взрывчатки. Есть все основания считать, что комплекс окажется универсальным. С его помощью можно будет испытывать на устойчивость к воздействию тока и электромагнитного поля молнии не только электроэнергетические, но и другие крупногабаритные объекты новой техники: АЭС, телекоммуникационные устройства, ракетные комплексы и т.д.

Хотелось бы закончить статью на мажорной ноте, тем более, что для этого есть основания. Ввод штатного испытательного комплекса позволит объективно оценивать эффективность самых современных защитных средств. Тем не менее, какая-то неудовлетворенность все равно остается. Фактически человек снова идет на поводу у молнии и вынужден мириться с ее своеволием, теряя при этом немало денег. Применение средств молниезащиты приводит к увеличению габаритов и веса объекта, растут затраты дефицитных материалов. Вполне реальны парадоксальные ситуации, когда размеры защитных средств превышают таковые защищаемого конструктивного элемента. В инженерном фольклоре хранится ответ известного авиаконструктора на предложение спроектировать абсолютно надежный самолет: такую работу можно выполнить, если заказчик смирится с единственным недостатком проекта — самолет никогда не оторвется от земли. В молниезащите сегодня происходит нечто подобное. Вместо наступления специалисты держат круговую оборону. Чтобы вырваться из порочного круга, нужно понять механизм формирования траектории молнии и найти средства управления этим процессом за счет слабых внешних воздействий. Задача сложная, но далеко не безнадежная. Сегодня ясно, что молния, движущаяся от облака к земле, никогда не ударяет в наземный объект: от его вершины навстречу приближающейся молнии прорастает искровой канал, так называемый встречный лидер. В зависимости от высоты объекта он вытягивается на десятки метров, иногда на несколько сотен и встречает молнию. Конечно, это «свидание» происходит не всегда — молния может промахнуться.

Но вполне очевидно: чем раньше возникнет встречный лидер, тем дальше он продвинется к молнии и, значит, больше шансов на их встречу. Следовательно, нужно научиться «тормозить» искровые каналы от защищаемых объектов и, напротив, стимулировать от молниеотвода. Основание для оптимизма внушают те весьма слабые внешние электрические поля, в которых формируется молния. В грозовой обстановке поле у земли около 100-200 В/см — примерно такое же, как на поверхности электрического шнура утюга или электробритвы. Раз молния довольствуется такой малостью, значит столь же слабыми могут быть управляющие ею воздействия. Важно только понять, в какой момент и в каком виде они должны быть поданы. Впереди трудная, но интересная исследовательская работа.

Академик Владимир ФОРТОВ, Объединенный институт физики высоких температур РАН, доктор технических наук Эдуард БАЗЕЛЯН, Энергетический институт им. Г.М. Кржижановского.

Защита от молний в частном доме

Защита от молний в частном доме очень важный пункт в электрической цепи дома. Если в многоквартирном доме этим занимается организация, обслуживающая электрическую сеть, то в частном жилище придется взять ситуацию в свои руки. Молния - природный разряд электричества. Сила молнии такова, что на краткие наносекунды своего существования она сравнивается с энергией ядерной электростанции.

Понятно, что при прямом попадании в электрическую сеть дома провода и приборы не то что перегорят, а просто взорвутся. Именно поэтому к такой защите следует отнестись со всей серьезностью и не скупиться на расходы по установке. Молниезащита бывает внутренней и внешней. Это как бы 2 охранных контура, которые, работая совместно, могут почти на 100 % обезопасить электрооборудование и людей в доме.

Внешняя защита от молний

В первую очередь это молниеотвод , который устанавливается на самой высокой точке дома, соединенный проводником с системой заземления. Еще до недавнего времени громоотвод соединялся к заземлителем, который одновременно служил и системой заземления в доме. Как выяснилось опытным путем, такой защиты недостаточно для того, чтобы спокойно чувствовать себя в грозу. Чтобы не пугать никого описанием, что бывает в случае, когда молния пробивает заземление (200 тыс. А!), необходимо показать устройство и схему нормально функционирующего молниеотвода.

Молниеприемник , который устанавливается на крыше, бывает 2 видов. Это либо высокий металлический штырь, который вертикально выставляется при помощи деревянных стоек, либо трос, протянутый вдоль всего конька крыши и уложенный на деревянные подпорки.

Есть еще вариант, когда на крышу укладывают металлическую сетку, сваренную из арматур сечением 8–10 мм², с шагом ячеек 2–5 м. В принципе, особенной разницы между ними нет.

Тросовые молниеприемники охватывают большую площадь крыши и считаются более безопасными, а сеточные не портят внешнего вида дома. Сечение молниеприемника должно быть не меньше 12 мм², хотя лучше всего арматура с запасом - 16 мм². При установке штыря необходимо помнить, что он должен возвышаться над самой высокой точкой кровли не меньше чем на 20–30 см, то же самое относится и к тросовому приемнику.

Примечание . Зона, которую защищает громоотвод, примерно равна его высоте. Например, при высоте над землей 6 м он защитит от попадания молнии территорию круга с радиусом 6 м.

Провод, по которому энергия молнии пойдет к заземлителю, лучше брать стальной сечением не меньше 10 мм² или медный провод сечением не меньше 6 мм². Это как раз тот случай, когда кашу маслом не испортить: чем толще будет провод, тем безопаснее. Проводник соединяется с приемником сваркой или при помощи болтового соединения, конец провода обжимается наконечником. Кабель опускается по наружной стене дома, к которой он крепится при помощи пластиковых хомутов. Они, в свою очередь, приделываются к стене при помощи дюбельей. Желательно, чтобы это была глухая стена, противоположная входной двери, без окон. Проводник не должен проходить мимо металлических элементов (лестниц, водопроводных и водосточных труб) ближе чем на 30 см.

Теперь отдельно о системе заземлителя. Он не должен быть совместным с заземлителем контура заземления дома. Это отдельное устройство, и характеристики его должны быть такими же, как у заземлителя дома. Его также надо углублять в землю на 3 м и приваривать к токоотводу.

Примечание . При современном строительстве для оштукатуривания дома используют металлическую сетку, которая поддерживает раствор на стене, армируя его. Эта сетка - неплохая защита от наведенных токов, которые часто случаются во время грозы, даже когда молния не ударяет поблизости.

Внутренняя защита от молний

Ее обеспечивают специальные устройства, которые добавляются в схему домового щитка и ВУ. Суть их в следующем: даже если молния не попадает в дом, во время грозы частенько случаются скачки напряжения, помехи в телевизоре и радио. Это объясняется тем, что электромагнитное поле при ударе молнии может создавать импульсные токи в проводке и устройствах. Разряд необязательно должен ударить именно в дом - это может произойти на расстоянии нескольких сотен метров и даже километров. Если же молния попадает в дом, то в лучшем случае молниеотвод сбросит напряжение в заземлитель, в худшем - разряд со всей силой ударит по электрической сети.

Даже когда энергия молнии стечет по молниеотводу, ток, возникающий в проводке, может привести к порче чувствительной аппаратуры (компьютеров, холодильников и телевизоров). Лучше и не представлять, что случится при прямом воздействии. Как раз для защиты от таких ситуаций и существуют специальные устройства - ограничители. Внутри ВРУ можно установить ограничители перенапряжения (ОПН). Эти устройства по внешнему виду напоминают обычные автоматы (ВА), только без рычага отключения. Все, что надо знать про ограничители, - что они устанавливаются между фазой и заземлением или нулевым проводом и заземлением.

Ограничители бывают 3 видов и различаются по чувствительности к току перенапряжения.

1. Класс «В» - такие ограничители ставят на входе в щит. Они предназначены для защиты от сверхвысокого напряжения - прямого удара молнии.

2. Класс «С» - устройства устанавливаются по схеме после ограничителей класса «В» и служат защитой от наведенных токов.

3. Класс «D» устанавливают, когда в доме находится особо чувствительная аппаратура.

Применять следует все 3 вида устройств, поскольку у них разный уровень чувствительности, и ставить по схеме один за другим.

Примечание. Если в доме не установлены ограничители, то во время грозы желательно отключать бытовую технику.

Например, при близком ударе молнии сработает ограничитель «В», а при прямом ударе - «С». Именно поэтому нельзя поставить устройство класса «D» и на этом успокоиться, считая, что дом защищен. Ограничители рассчитаны как на однофазные сети, так и на трехфазные. Ниже приведено несколько схем подключения ограничителей.

Применение ОПН различного класса для защиты аппаратуры, находящейся в доме

1 - шина уравнивания потенциалов; 2 - хомут уравнивания потенциалов; 3 - полоса заземления; 4 - ограничитель перенапряжения, устанавливается между фазовыми проводниками и проводом РЕ; 5 - ограничитель перенапряжения категории «C», устанавливается в распределительных шкафах на вводе; 6 - ограничитель перенапряжения категории «D», устанавливается непосредственно перед каждым электронным потребителем электроэнергии; 7 - ограничитель перенапряжения категории «B», устанавливается в разрез антенного фидера; 8 - ограничитель перенапряжения категории «D»; 9 - ограничитель перенапряжения категории «B» для защиты телефонных линий; 10 - ограничитель перенапряжения категории «B»

По итогам майских гроз пришлось провести ревизию сгоревшего оборудования и хотя ущерб был не так велик материально, но выход из строя некоторого оборудования нарушил устоявшийся комфорт проживания в собственном доме. Так я решил обратиться к специалистам в своей области, проконсультироваться и расширить систему защиты.

Исходные данные: дом, 3 фазы (15 кВт на дом), заземление штырем в 3 м длиной, автономная электросистема на базе солнечных батарей

На фото результат короткого замыкания со стороны линии 10 КВ. Защита не отработала на районной подстанции. Так выглядит вводной щит со стороны 0.4КВ. Автомат IEK на 100А не смог разорвать дугу между губками. Далее по линии стоял МАП HYBRID 9кВт 48В . Отделались легким испугом: в инверторе поменяли варистор, после чего МАП ожил, правда, перестал нормально работать порт RS232. То есть серьезная авария на подстанции, которая сожгла автоматический предохранитель на 100 Ампер, отразилась на инверторе только сгоревшим варистором и ошибками на контроллере, а весь прочий функционал устройства сохранился, как и вся техника, подключенная после него – достойная похвалы работа.

А ниже на фото узел учета со стороны 10 КВ

Эта авария случилась не в моем доме, но мне эти фотографии передали специалисты компании МикроАРТ . В свое время я решил переключиться на оборудование российского производителя для своей гибридной солнечно-сетевой электросистемы и описывал эти устройства и .
У меня же был следующий случай: во время грозы молния ударила в мою подстанцию или рядом, в результате чего отработала защита на вводе в дом. Результатом той грозы явилось сгоревшее зарядное устройство аккумуляторов, подключенное к сети в момент грозы, сгоревшее реле автоматики вентиляции (реле питалось от линии, которую поддерживало то самое ЗУ), а инвертор МАП Hybrid 4.5 кВт начал мигать экраном и перестал генерировать. После грозы перезапуск всех систем вернул дом к электроснабжению, инвертор запустился без проблем, а я задумался о серьезной защите домашней электросети.

Немного теории

Во время грозы в обычной квартире или офисном здании должны отработать защиты, установленные стационарной электросетью. В коттеджном поселке, деревне или на дачах защита, как правило, ограничивается вкопанным заземлением на подстанции и предохранителем, отключающим всю сеть от работы. Причем, по правилам подключения, заземление должно быть смонтировано также на каждом втором столбе и отдельно на конечном, где производится подключение абонентского дома. Пройдя по свой деревне и осмотрев более полусотни столбов, я не нашел ни одного заземления, то есть остается полагаться только на себя.

Вторым «убийственным» фактором является наведенное электричество. Во время молнии происходит довольно мощный всплеск ЭМИ, а проводка дома, по сути, является большой антенной. Чем ближе молния, тем больше вероятность скачка напряжения во внутренней сети. С таким явлением постоянно сталкивались и продолжают сталкиваться монтажники домовых локальных сетей, когда свитчи без заземления, во время грозы, сгорают целыми цепочками.

Итак, нам нужно защититься от внешнего импульса, который может прийти с подстанции и от внутреннего скачка, который может случиться при молнии рядом с домом.

Практика

Молниеотвод

Если Ваш дом находится на возвышении, далеко от любых строений и является высшей точкой на местности, то лучше озаботиться молниеотводом. Устройство это надежное, но необходимо четко высчитать площадь покрытия. На эту тему есть масса материалов в сети. Скажу только, что действие молниеотвода распространяется конусом от высшей точки к земле. Для «прикрытия» всего дома надо ставить либо два молниеотвода с металлическим тросом между ними, либо один, но довольно высоко. Если заземление молниеотвода выполнено отдельно от общего заземления, то необходимо применить систему уравнивания потенциалов.

Выдержки из ИНСТРУКЦИИ ПО УСТРОЙСТВУ МОЛНИЕЗАЩИТЫ ЗДАНИЙ И СООРУЖЕНИЙ РД 34.21.122-87:
«В качестве заземлителей молниезащиты допускается использовать все рекомендуемые ПУЭ заземлители
электроустановок, за исключением нулевых проводов воздушных линий электропередачи напряжением до 1 кВ. „
“2.5. Для исключения заноса высокого потенциала в защищаемое здание или сооружение но подземным
металлическим коммуникациям (в том числе по электрическим кабелям любого назначения) заземлители защиты от
прямых ударов молнии должны быть по возможности удалены от этих коммуникаций на максимальные расстояния,
допустимые по технологическим требованиям. „

Ввод сети в дом

Опасность ввода высокого напряжения страшна не только в грозу, но и при перехлестывании проводов на столбах или большом перекосе фаз. Обычное дело для деревенских электросетей, когда напряжение по фазам может составлять 180, 200 и 240 В. ГОСТ допускает подачу питания с отклонением напряжения до 10% (если точно, то +10% и -15%) от нормы в 220 в, то есть от 187 до 242 В. Но не вся поставляемая аппаратура может выдержать такие перепады напряжения. Для обычной защиты лучше всего применять стабилизаторы напряжения. Причем есть трехфазные и однофазные стабилизаторы. Чаще всего три однофазных стабилизатора будут работать лучше одного трехфазного, хотя бы потому, что у простейших устройств отслеживается напряжение по одной фазе и изменение (увеличение или снижение) напряжения происходит по всем трем. Упрощенно: при подъеме напряжения со 180 до 220 В, произойдет рост напряжения на другой фазе с 210 до 250 В, что чревато для оборудования. Поэтому отслеживание каждой из фаз будет надежнее. Кроме того, можно выделить несколько типов стабилизаторов:

• Релейный
• Симисторный

Первый обладает высокой точностью установки напряжения, поскольку моторчик скользит водилом по обмоткам и задает нужное напряжение. Плюсы: низкая цена, высокая точность выдаваемого напряжения. Минусы: низкая скорость реакции на скачки напряжения, физический износ механики
Второй обладает повышенной скоростью переключения обмоток трансформатора, но так как мощности могут достигать десятка и более кВт, то контакторы реле изнашиваются и рано или поздно могут залипнуть, что приведет к печальным последствиям. Плюсы: доступная цена, достаточная скорость переключения. Минусы: недостаточная надежность ввиду использования механических реле.
Третий тип наиболее интересный, но и наиболее дорогой. Использование мощных ключей позволяет мгновенно реагировать на изменение входного напряжения и переключать обмотки трансформатора. Физического износа, как и залипания контактов попросту нет. Кроме того, переключение происходит при переходе синуса через ноль, поэтому и скачки также исключены. Плюсы: высокая скорость срабатывания, отсутствие физического износа. Минусы: высокая цена.

Для себя я выбрал более дорогой, но и более надежный вариант, стабилизатор с симисторным управлением СН-LCD “Энергия» на 6 кВт . Так как у меня уже стоит инвертор на 4.5 кВт, который в пике может выдавать до 7 кВт, то решено было выбрать стабилизатор с номинальной мощностью 6 кВт и возможностью выдавать в пике до 7.4 кВт.

Об особенностях работы этих стабилизаторов и какие вообще бывают стабилизаторы можно подробно прочитать .
Ну а мне было интересно его разобрать и посмотреть, что там внутри.

Вскрытие стабилизатора показало

Как видно из фото, стабилизатор использует тороидальный трансформатор, который при тех же размерах, что Ш-образный, имеет больший КПД и меньший вес. Сам трансформатор изготовлен в Туле, а стабилизатор разработан и собран в Москве. Таким образом можно смело заявлять о полностью российском производстве, которое сумели организовать и сохранить в компании МикроАРТ.

Итак, я подстраховался от проседания и роста напряжения в диапазоне 125-275 Вольт, но что делать, если будет резкий скачок напряжения, сильно выходящий за эти пределы? Инвертор как-то показал мне по фазе 287 В, после чего ушел в защиту. Но подай на него 380 В и он попросту сгорит, как и стабилизатор. Хотелось защитить дорогое оборудования. Требовался какой-то расцепитель, который при пороговых значениях напряжения отключал бы внешнюю сеть. Лучше уж остаться без сети, чем потом чинить или менять сгоревшее оборудование. Выход был найден - реле контроля сетевого напряжения УЗМ-51M1 .

Этот девайс создан для обеспечения работы одной фазы, при этом можно вручную задавать верхний и нижний пороги напряжения, при которых реле будет срабатывать. Время отключения составляет около 20 мс, что является очень неплохим показателем. При этом, небольшие просадки или некоторое превышение напряжения не вызовут моментального отключения, а запустится таймер отключения. При возврате параметров к норме реле самостоятельно подключит нагрузку к сети. Итак, домашние устройства защищены от перепадов и скачков внешней электросети при помощи реле контроля напряжения и стабилизатора. В случае исчезновения сети начинает работать инвертор. А что делать, если внешняя сеть уже отключена, молния бьет рядом и проводка дома работает, как антенна?

Защита внутренней сети

Будем исходить из того, что все розетки имеют правильную разводку, заземление выполнено должным образом и лишний заряд стекает в землю. Но скачок напряжения во внутренней сети легко губит всю технику, поскольку все защиты стоят для обороны от внешних скачков. А вот от внутренних наводок ничего нет. С этой мыслью я обратился к инженерам МикроАРТ, когда забирал стабилизатор и мне порекомендовали «Устройство защиты от молний и наводок» - УЗИП .

Это своеобразный разрядник, который при появлении критического напряжения между фазой и землей пропускает через себя импульс, отправляя его на заземление. То есть во время грозы, когда молния ударит рядом и напряжение в домашней сети поднимется до нескольких киловольт по фазному проводу относительно земли и превысит определенное значение, этот УЗИП просто пустит весь заряд в землю. Поэтому он ставится перед инвертором, одним концом подключаясь к фазе, а другим к заземлению. Стоит учесть, что разряд может быть существенным, поэтому на сечении заземляющего провода экономить не стоит, иначе сопротивление провода может оказаться критичным и не успеть передать импульс в землю.

Так выполнено подключение к внешней сети и генератору:

Я уже упоминал, что у меня есть автономная система на солнечных батареях. По проводам, идущим от солнечных батарей, также может прийти серьезный импульс, выводя из строя солнечный контроллер, а за ним и инвертор. Поэтому на каждый из проводов от солнечных батарей я также повесил УЗИП.

Защита от генератора

На самый аварийный случай, когда внешней сети нет, солнца не видно, а аккумуляторы уже сели, у всех автономщиков есть резервный вариант - бензо\дизель генератор. Он позволит домашней сети функционировать, самому поработать мощным инструментом, да еще и аккумуляторы подзарядить. Подобную топологию резервирования я описывал в своем материале . Проблема такого подключения заключается в том, что большинство генераторов выдают крайне нестабильное и «шумное» питание. Иной раз инверторы или зарядники просто не могут работать с таким питанием. Для подавления помех есть специальный сетевой фильтр. Можно обойтись стандартным «пилотом», но он рассчитан, как правило, на мощность до 2-3 кВт, а от генератора зачастую потребляется больше. Итак, я нашел еще и ЭМИ (электромагнитный импульс) фильтр: Сетевой фильтр подавления ЭМП .

Он выдерживает потребляемую мощность до 11 кВт, чего вполне достаточно для питания целого дома, если имеется мощный генератор. Он имеет сквозное подключение и отдельный контакт для заземления.

Итоги проведенных работ

Результатом одной грозы и малых потерь явилось переосмысление способов защиты, как от внешних энергетических коллизий, так и от внутренних. Кроме того, увеличилась защищенность всех электроприборов в доме, как от перепадов напряжения, так и от резких скачков и импульсов. Дополнительно повысилась автономность за счет подключения генератора через фильтр, что гарантирует стабильный заряд батарей и нормальную работу инвертора.
В итоге, электросистема поменялась. До:

Так стало ПОСЛЕ установки защиты:

Схема подключения генератора довольно проста. Любой из проводов объединяется с имеющейся землей и нулем, заведенным в дом. Второй провод после этого становится фазой. Важно выбрать такой переключатель, который будет исключать одновременное замыкание фазы генератора и фазы с подстанции.

Первый запуск всей системы выглядел так:

Такое природное явление, как гроза, сопровождаемое громом и молнией, помимо демонстрации внешнего величия, несет опасность для жизни людей и целостности строений. Попадание молнии, представляющей собой электрический разряд огромной силы, может привести к пожару и причинить вред здоровью человека, вплоть до смертельного исхода. Для защиты от молний применяются системы молниезащиты. Эти системы защиты от грозы при правильном монтаже обеспечивают полную безопасность от поражения молнией.

При прохождении грозовых туч, между ними и поверхностью земли возникает электрический заряд. Это сравнимо с двумя обкладками конденсатор, где земля имеет нулевой потенциал, а грозовые тучи накапливают заряд. Величина этого заряда имеет огромные значения. При разряде молнии величина тока может достичь значения в 500 тысяч ампер, а напряжение в десятки и сотни миллионов вольт.

Как известно, электрический разряд происходит при достижении определенной величины напряженности электрического поля между проводниками, которые находятся ближе друг к другу, чем остальные. Именно поэтому молния обычно ударяет в самые высокие строения и деревья. Это свойство положено в основу принципа устройства системы для грозозащиты: принять удар молнии в самой высокой точке объекта на себя и отвести его в землю, нейтрализуя тем самым опасное воздействие громадных величин тока и напряжения.

Поэтому молниеприемник системы защиты от грозы располагают в самой верхней точке строения. Для частного дома такой точкой может быть дымовая труба (дымоход), стойка телевизионной антенны, конек крыши. Удобным местом для нее может послужить высокое дерево, стоящее рядом с домом. Дерево должно быть выше всех рядом стоящих строений.

Современные системы защиты от грозы

Существуют две системы внешней грозозащиты - пассивная и активная. Пассивная система была спроектирована еще в восемнадцатом столетии, а активная система относится к современным разработкам. На ней мы остановимся немного позже.

Одним из ученых, занимавшихся выяснением природы грозовых молний, был американский ученый и политик Бенджамин Франклин. Результаты его опытов в числе прочих исследований были положены в проектирование устройства внешней грозозащиты. Оно достаточно простое и его по силам изготовить самостоятельно из подручных средств. Пассивное устройство состоит всего из трех частей: молниеприемника, токоотвода и цепи заземления.

Внутренние системы защиты от грозы служат для защиты бытовых электроприборов и оборудования от поражения импульсами высокого напряжения при попадании молний в линии электропередач (ЛЭП). С этой целью перед счетчиком устанавливается устройство защиты от импульсных перенапряжений (УЗИП). Оно разработано таким образом, чтобы при поступлении на него импульса высокого напряжения, он отводился из электрической сети по цепи заземления. Существуют двух и трехфазные устройства.

Рассмотрим составные части внешней системы для грозозащиты. Она состоит из молниеприемника, токоотвода и устройства (цепи) заземления. Следует обратить внимание на то, что цепь заземления домашней электрической сети и системы молниезащиты должны быть независимы друг от друга.

Молниеприемник

При проектировании молниеприемника для грозозащиты необходимо учитывать такие факторы: тип кровли здания, наличие рядом с домом высоких строений и деревьев, площадь территории, нуждающейся в защите.

Самым простым молниеприемником является металлический штырь диаметром не менее 8-10 мм или аналогичная по размеру толстостенная металлическая труба. Это устройство должно размещаться таким образом, чтобы его верхняя точка находилась не ниже, чем на 2 метра от самой высокой части крыши. Защищаемая таким образом площадь напрямую зависит от высоты нахождения вершины штыря и равна площади окружности с радиусом, равным этой высоте.

Штыревые молниеприемники являются оптимальным решением при проектировании грозозащиты для металлической кровли. При попадании молнии энергия разряда отводится по токоотводу в цепь заземления.

Если рядом с домом находится высокое дерево (превышающее высоту дома), имеет смысл для увеличения защищаемой от молнии площади поместить штыревое устройство приема молнии на верхушке этого дерева. Штырь также должен возвышаться над кроной дерева не менее чем на 2 метра.

При проектировании защиты для строений с шиферными крышами часто используют в качестве молниепринимающего устройства металлический трос подходящего диаметра, который натягивается вдоль конька кровли на высоте не менее полуметра. Защищаемая таким образом площадь имеет форму шалаша. Заземление в этом случае необходимо выполнять с двух сторон троса.

Защита строений с черепичной крышей имеет свои особенности. Одним из решений при проектировании грозозащиты для такой кровли является использование сетчатого приемника разряда. Сетка выполняется из стальной проволоки диаметром не менее 6 мм и размером ячейки около 5-6 метров.

Контакт приемника разряда с токоотводом предпочтительно выполнять сваркой, но допускается и болтовое соединение.

Видео “Системы молниезащиты”

Токоотвод

Токоотвод выполняет важную роль в системе грозозащиты - отводит энергию разряда молнии в цепь заземления. Для этих целей хорошо подходит стальная проволока с диаметром 6 мм и более, так как проходящий через нее ток может достигать величин в сотни тысяч ампер.

Лучшим способом соединения токоотвода с приемником разряда и цепью заземления является сварка. При невозможности использования сварки можно использовать специальные болтовые зажимы, обеспечивающие хороший контакт соединений.

Токоотвод не должен проходить вблизи от оконных и дверных проемов, иметь минимальную (по возможности) длину и не содержать резких изгибов для обеспечения пожарной безопасности. Резкие изгибы токоотвода при попадании молнии в систему грозозащиты могут вызвать искрение и возгорание конструкций дома. Следует также избегать касания токоотвода к металлическим частям строения, например, гаражным воротам и тому подобному.

Заземление

Проектирование цепи заземления не представляет большой сложности. Следует учесть то, что по требованиям техники безопасности она должна находиться как можно дальше от входных дверей в дом, тропинок и других мест, где могут оказаться люди во время грозы.

Самое простое заземление можно выполнить путем вбивания толстого металлического прута (арматуры) на глубину двух-трех метров с последующим соединением его с токоотводом с помощью сварки или болтового крепежа. Желательно, чтобы площадь устройства заземления была побольше. Поэтому рекомендуется использовать несколько соединенных между собой прутьев. Если вбивание на такую глубину является проблемой из-за особенностей почвы, можно выкопать яму или траншею глубиной ни менее метра и уложить туда любую массивную металлическую конструкцию, например, спинку от старой кровати. А уже к этой конструкции путем сварки подсоединить токоотвод. Сварное соединение необходимо защитить от коррозии любым способом, например, покраской.

Активная защита

Этот вид защиты от молний был разработан в восьмидесятых годах прошлого столетия во Франции. Состоит из тех же основных частей, что и пассивная защита. Отличием является то, что приемник разряда молнии представляет собой устройство, которое формирует зону ионизированного воздуха вокруг него. Устройство не требует внешнего питания и активизируется при приближении грозы под действием изменения напряженности электрического поля. Считается, что такая зона ионизированного воздуха является своего рода приманкой для молнии, что обеспечивает большую в несколько раз площадь защиты.

Между тем обезопасить свое жилище и себя от столь непредсказуемого природного явления вполне реально - достаточно приобрести специальную инженерную систему и грамотно ее установить. И тогда никакие грозы будут не страшны.

Одна из возможных причин невнимания наших соотечественников к данному вопросу заключается в том, что строительные нормы и правила не считают обязательной зданий высотой менее 30м. Кроме того, многие люди привыкли надеяться на авось, убеждая себя, что вероятность попадания электрического разряда в их загородный дом практически равна нулю. Тем не менее, молния способна нанести очень серьезный урон, даже если она ударит в нескольких десятках метров от жилища. Помимо серьезной опасности для здоровья хозяев это пожар в жилых и технических помещениях, выход из строя дорогостоящих компьютеров, систем видеонаблюдения, инженерных коммуникаций и пр.

Поэтому наиболее продвинутые дачники и владельцы коттеджей предпочитают не рисковать и устанавливают защитную систему - внешнюю (чтобы уберечь здание от удара молнии) или внутреннюю (дабы обезопасить помещения дома от вторичных последствий электрического разряда). Внешняя защита, в свою очередь, делится на классическую и активную. Каждая разновидность имеет свои особенности.

Классическая система защиты от молнии

Другие названия классической внешней системы молниезащиты, открытой еще в XVIII веке американским государственным деятелем Бенджамином Франклином, - пассивная и механическая. Она состоит из трех связанных между собой элементов: молниеприемника, токоотвода и заземлителя.

Молниеприемник (молниеотвод, громоотвод), принимающий на себя электрический удар, делают в виде троса, сетки, набрасываемой на здание, но чаще всего - в виде стального штыря диаметром примерно 12мм и длиной 0,2-1,5м. Его устанавливают на специальные изолирующие подпорки и крепят к самой высокой точке кровли.

К молниеприемнику приваривают токоотвод (спуск) - проводник из круглой или полосовой стали с антикоррозийным цинковым покрытием. Соединение должно быть прочным и надежным, способным выдерживать ток очень большой силы - примерно 200 кА. Затем токоотвод спускают с кровли, присоединяя к стене здания специальными металлическими скобами.

Второй его конец крепко сваривают с заземлителем - металлическим прутком, отрезком профиля, листом, трубой или целой системой уголков, прутков и швеллеров, которые зарыты в землю на глубину 2-3 м и гасят электрический разряд. Токоотвод лучше всего прокладывать по задней стене здания, а заземлитель - закапывать подальше от фундамента дома и надворных построек.

Главные достоинства классического варианта молниезащиты - надежность и демократичная цена, посильная для большинства владельцев загородной недвижимости. Недостатком является не слишком привлекательный внешний вид: стальная арматура плохо вписывается в архитектурный облик здания.

Внешняя активная система молниезащиты

Сравнительно новая для нашей страны система активной внешней молниезащиты уже получила признание специалистов и привлекла внимание потребителей. От классической она отличается большей широтой охвата, обусловленной иным принципом действия громоотвода. Этот элемент не бездействует, ожидая прямого попадания молнии, а постоянно работает - ионизирует воздушное пространство вокруг себя, формируя тем самым обширную область активной защиты. В результате грозовой электрический разряд, возникший в любом месте данной зоны, обязательно притянется к антенне-приемнику на крыше, пройдет по токоотводу и безопасно заземлится.

Плюсы: подобные системы способны защищать от молний здания значительной площади, характеризуются высокой надежностью, долговечностью, экологичностью. Кроме того, их молниеотводы компактны и не портят внешнего вида постройки. Но у активных устройств есть один существенный минус - высокая цена. Поэтому их установку могут позволить себе не все.

Системы внутренней молниезащиты коттеджа

Не менее важно позаботиться о монтаже системы внутренней молниезащиты коттеджа или дачи - это оборудование оберегает домашнее имущество от вторичных проявлений грозы: опасных воздействий электромагнитного поля и перепадов напряжения в электрической сети, способных серьезно повредить провода, инженерные коммуникации здания и современную технику (компьютеры, аудио- и видеопроигрыватели, телевизионные приемники, системы видеонаблюдения, отопления и кондиционирования).

В состав подобных систем входят ограничители перенапряжений, или грозовые разрядники, устанавливаемые в доме на специальном вводно-распределительном щите. Их основа - полупроводниковые резисторы, которые изменяют свое сопротивление в зависимости от приложенного к ним напряжения и при его скачке в момент попадания молнии полностью выгорают (после чего их просто заменяют на новые). Кроме одноразовых существуют и более дорогие многоразовые ограничители, самовосстанавливающиеся после разряда.

К элементам внутренней системы относят также устройства защиты от импульсных перенапряжений (УЗИП). Они предохраняют дорогостоящие домашние приборы от разрушительного действия наведенного напряжения, вызванного грозой.

Кроме того, внутренняя молниезащита позволяет выравнивать потенциалы отдельных потребителей электроэнергии. Для этого все токоприемники подсоединяют к одной заземляющей шине, иначе наведенное напряжение само будет стремиться проделать то же самое, но с необратимыми для бытовой техники последствиями.

Ваш выбор

Сегодня на отечественном рынке большой выбор самых разных молниезащитных систем. Как же понять, какая система оптимальна для конкретной дачи или коттеджа?

Во-первых, следует исходить из местоположения здания и окружающих природных условий. Если дом, например, стоит в лесу, в низине, куда молния попадает редко, вполне можно обойтись упрощенным вариантом защиты - допустим, установить громоотвод на самое высокое дерево, растущее рядом. Оно и примет на себя удар во время грозы, а токоотвод с заземлителем сведут на нет вероятность возникновения пожара. Если же строение находится на открытой возвышенной местности, то экономить на молниезащите нельзя - есть смысл установить и внутреннюю, и внешнюю (лучше активную) системы.

Во-вторых, надо обязательно проконсультироваться с профессионалами и выслушать все их рекомендации. Ведь установка молниезащитной системы - весьма трудоемкая и ответственная работа, требующая предварительных расчетов и проектирования. Если вы возьметесь за дело самостоятельно, без должных знаний, смонтированное оборудование не только не защитит дом во время грозы, но и станет потенциальным источником опасности. Подрядчиков для выполнения работ лучше всего выбирать по совету знакомых или ориентироваться на стаж компании, рекомендации ее клиентов (которые можно найти в Интернете) и технический уровень оборудования, предлагаемого организацией. Любая уважающая себя компания перед началом монтажа разрабатывает серьезный проект молниезащиты. Если же установка выполняется на глазок, без предварительных расчетов, от услуг подобной фирмы имеет смысл отказаться.