ВНЕШНЯЯ КЛАССИЧЕСКАЯ (ПАССИВНАЯ) МОЛНИЕЗАЩИТА. Часть 3 (заземление)

В третьей части мы заканчиваем рассмотрение системы внешней молниезащиты для загородного дома. В предыдущих частях было рассмотрено различные нюансы выбора и установки молниеприемника и токоотводов. Теперь перейдем к молниезащитному заземлению.

Укажем сразу, что выполняющее свои функции заземление – это не соединенный с токоотводом забитый в землю возле стены лом, кусок арматуры или стального уголка длиной в один-два метра, не говоря уже о таком изобретательстве, как закопанное железное ведро. Обустройство полноценного заземления требует гораздо больших усилий и материалов.

Для начала уточним терминологию. Заземление – это непосредственное соединение токоотводов с заземляющим устройством с целью направления тока разряда молнии в землю с последующим безопасным растеканием в грунте. Обеспечивать этот процесс должно заземляющее устройство, которое, в свою очередь, объединяет заземляющий проводник и заземлитель. Заземляющий проводник посредством болтового контрольного зажима присоединяется к токоотводу и обеспечивает его связь с заземлителем. Последний состоит из находящихся в соприкосновении с землей, то есть в грунте, одного или нескольких проводников определенного размера и формы, посредством которых осуществляется беспрепятственное растекание тока молнии.

В зависимости от расположения заземлителей в грунте их можно разделить на горизонтальные и вертикальные. По конструктивным особенностям согласно международному нормативу IEC 61024-1 заземлители разделяют на два типа:
• тип А – соединяемая с каждым из токоотводов конструкция из совокупности горизонтальных и вертикальных (радиальных)  заземлителей;
•  тип В – замкнутый контур из горизонтального заземлителя.

В отличие от заземлений других типов, для молниезащитного заземления объектов ІІІ класса защиты, к которому относятся жилые дома, допустимое значение сопротивления не нормируется ни отечественными, ни зарубежными нормативами. В этом случае основное внимание уделяется форме и размерам заземлителя, которые должны обеспечивать равномерное растекания тока молнии как можно более снижая вероятность попадания под шаговое напряжение.

Шаговое напряжения возникает тогда, когда человек проходит возле заземлителя в пределах зоны растекания во время стекания тока молнии и его ноги на расстоянии длины шага окажутся под разными потенциалами. Эта разность потенциалов и приводит к возникновению шагового напряжения. Несмотря на отсутствие предписаний нормативов для защиты от попадания под шаговое напряжение рекомендуемое сопротивление заземление молниезащиты  не должно превышать значение в 10 Ом.

В соответствии с "библией" электрика - ПУЭ молниезащитное заземление необходимо подсоединять к системе уравнивания потенциалов. Также рекомендуется ежегодно проводить измерение сопротивление молниезащитного заземления и следить, чтобы его значение не превысило изначальное, замеренное сразу после установки, более чем в пять раз.

Помимо свойств самого заземлителя, необходимо учитывать и удельное электрическое сопротивление грунта, от которого зависит растекание тока молнии. Чем оно меньше, тем быстрее ток уходит в землю и меньше может быть площадь заземлителя. Большинство приведенных в справочниках схем и рекомендаций рассчитаны на территории с умеренным климатом, грунты которых имеют удельное сопротивление до 300 Ом·м (черноземы – 50 Ом·м, торф – 25 Ом·м, полутвердая глина и мел – 60 Ом·м, сероземы и каштановые почвы – 50 – 200 Ом·м, темно-каштановые почвы - 100 Ом·м, светло-каштановые почвы – 30 – 200 Ом·м, серо-бурые и бурые почвы - 30 – 200 Ом·м, пористый известняк – 180 Ом·м). При увеличении удельного сопротивления грунтов конструкция заземлителей усложняется.

Помимо присущих каждому из типов грунтов физико-механических свойств, на значение их удельного сопротивления влияет влажность и температура. Так если летом для суглинка значение удельного сопротивления будет в среднем около 100 Ом·м, то зимой при промерзании оно возрастет до 20000 Ом·м.

Поэтому заземлители, особенно горизонтальные, должны располагаться на превышающей толщину промерзающего зимой слоя грунта глубине. Для умеренного климата такая глубина составляет 0,5 – 0,7 метров.

Идеальный вариант, когда система внешней молниезащиты проектируется до начала строительства и устанавливается в процессе возведения здания. В этом случае намного проще объединить ее элементы с архитектурными особенностями дома. Но реальность такова, что в подавляющем большинстве случаев молниезащиту монтируют на построенном  здании и с уже обустроенным двором.

Но реальность такова, что в подавляющем большинстве случаев молниезащиту монтируют на построенном здании с уже обустроенным двором. Поэтому при выборе типа заземлителя приходится ориентироваться не только на его наилучшую «работу» в данном грунте, но и на возможность установки согласуясь с дворовой застройкой.

Самым простым для установки в ограниченном пространстве является заземлитель типа А – вбитый в землю на расстоянии одного метра от фундамента вертикальный заземлитель. При низком удельном сопротивлении грунта достаточно будет одного или двух соединенных на глубине не менее 0,5 м горизонтальным проводником параллельных заземлителей длинной 2,5 – 3 м и расстоянием между ними 5 м.

При удельном сопротивлении грунта 300 – 800 Ом·м к заземлитель имеет конструкцию из двух – трех расположенных как можно дальше друг от друга расходящихся из одной точки радиальных горизонтальных электродов длиной около 10 м, к которым через каждые 5 м присоединены вбитые в землю вертикальные заземлители. При удельном сопротивлении грунта более 800 Ом·м длина горизонтальных заземлителей увеличивается до 20 – 40 м и заземляющее устройство уже сложно считать компактным.

При самодельном кустарном заземлении часто используют подручные средства в виде полосовой стали, стальных уголков, арматуры, обрезков железных труб. В этом случае полоса должна быть не менее 40х4 мм, уголки иметь ширину полки не менее 40 мм, арматура иметь диаметр не менее 15 см, а толщина стенок трубы – от 3,5 мм. В единую конструкцию эти части соединяются сваркой. Срок пребывания в рабочем состоянии такого изготовленного из черного металла заземления составляет всего несколько лет.

Если Вы планируете установить надежный заземлитель, который прослужит несколько десятков лет, то следует остановиться на комплектующих известных производителей: OBO Betterman, Dehn-Sohne, Galmar или Elko-Bis. Для обустройства заземления любого типа они предоставляют широкий ассортимент зажимов, полосы, проволоки и стержней из меди, оцинкованной, нержавеющей или омедненной стали.

Специальные стержни (шпильки) диаметром 14 – 25 мм и длинной 1,2 – 1,5 м позволяют обустраивать глубинное заземление типа А по модульно-штыревому принципу. В этом случае короткие заземлители соединяются в один длиной до 30 м. Забиваются стержни при помощи электрического отбойного молотка в заранее подготовленной яме площадью приблизительно 0,7 на 0,7 м² и 0,5 – 0,7 м глубиной.

Для облегчения заглубления на нижний конец первого стержня надевается специальный наконечник, а на его верхний конец соединительная муфта. Затем в муфту вставляется специальная головка, которая предотвращает ее деформацию при ударах, а в отбойный молоток вставляется специальная насадка (боек) с хвостовиком SDS-max, конструкция которой не позволяет ей соскальзывать с головки.

Забив первый стержень, извлекаем головку, вставляем следующий стержень и продолжаем забивание. Стержни соединяются между собой или за счет резьбового вкручивания одного в другой с использованием безрезьбовой муфты или за счет вкручивания в муфту с нанесенной резьбой. Перед вкручиванием резьба обрабатывается специальной антикоррозионной электропроводящей пастой.

После вбивания каждого стержня производятся замеры сопротивления заземлителя, что предотвращает «перерасход» материала и достичь приемлемого сопротивления заземляющего устройства на небольшой площади даже для грунтов с довольно высоким удельным сопротивлением без дополнительных радиальных горизонтальных электродов. С заземляющим проводником заземлитель соединяется при помощи зажима (для разных материалов обязательно биметаллического) и затем соединение изолируется специальной антикоррозийной лентой.

При необходимости достичь глубины не более 5 метров можно использовать стержни с безмуфтовым соединением путем механического заклинивания. Подобные стержни имеют специальную выступающую часть - штырь с одной стороны и углубление - паз с другой. Штырь входит в паз в натяг обеспечивая непрерывный электроконтакт.

При наращивании длины заземлителя в зависимости от конструкции шпилек вверху может находиться как штырь, так и углубление. В первом случае для забивания используется специальная ударная насадка, а во втором в паз вставляется нагель и по нему уже бьет насадка для перфоратора.

Производители рекомендуют использовать для подобного заземлителя сочленения не более трех стержней, поскольку дальнейшее наращивание длины приводит к искривлению штырей и повреждению более тонких стенок углублений, что существенно ухудшает электроконтакт между ними.

В зонах умеренного климата и грунтов с низким удельным сопротивлением глубинное заземление обустраивается, как правило, стандартным способом – с токоотводом при помощи контрольного зажима на высоте около 1 м соединяется находящаяся в траншее глубиной 0,5 – 0,7 м металлическая полоса, которая на расстоянии 1 м от фасада присоединяется специальным зажимом к первому стержневому заземлителю длиной 3 м, далее через 5 м к ней присоединяется второй аналогичный стержневой заземлитель.

То есть для каждого опуска при таком глубинном заземлении необходимо будет 7 м плоского проводника-полосы, 4 стержня, 2 наконечника, 2 зажима стержень-полоса и один контрольный зажим для токоотвода.

При выборе материала для заземляющего устройства следует принимать во внимание тот факт, что хотя цена медных или омедненных комплектующих выше чем у компонентов из оцинкованной или нержавеющей стали, они имеют более длительный срок сохранности в земле и по соотношению цена/(период эксплуатации) их приобретение может оказаться намного выгоднее.

Проведенные американским Институтом стандартов и технологий (The National Institute of Standards and Technology) в период с 1910 по 1955 гг. исследования подземной коррозии различных материалов показали, что в большинстве типов грунтов стальной стержень покрытый слоем меди толщиной 254 мкм сохраняет свои характеристики в течение 40 лет, а слоем цинка 99 мкм в тех же условиях – только в течение 10 – 15 лет.

Ни в коем случае не приобретайте более дешевые комплектующие noname-производителей, которые часто изготавливаются с нарушением технологии нанесения антикоррозионного покрытия и имеют следы коррозии уже после хранения на складе.

Заземлители типа В представлены в жилищном строительстве двумя основными видами: фундаментное заземление и кольцевое заземление.

Как следует из названия, фундаментный заземлитель устанавливается в железобетонном фундаменте при строительстве здания. Такая особенность делает его применение для загородного дома или коттеджа маловероятным. Еще более эту вероятность уменьшает требование соединение арматуры фундамента сваркой, а не при помощи проволоки, что имеет повсеместное распространение при закладке фундаментов частных домов.

Кольцевое заземление представляет собой горизонтальный заземлитель, расположенный по периметру вокруг здания в виде замкнутого кольца, 80% которого имеют непосредственный контакт с землей. Укладывается он на расстоянии 1 м от фундамента в траншею глубиной 0,5 – 0,7 м (ниже глубины промерзания грунта). В качестве заземлителя используются проводники из меди, оцинкованной, нержавеющей или омедненной стали.

Это может быть как плоская полоса (как правило, 30х3,5 для стали, 25х3 для меди и омедненной стали) или круглый провод диаметром 8 мм (медь, омедненная сталь) и 10 мм (оцинкованная и нержавеющая сталь). Токоотводы посредством плоского или круглого заземляющего проводника соединяются с кольцевым заземлителем специальными зажимами и место соединения защищается антикоррозионной лентой.

Преимущество кольцевого заземлителя перед глубинным заключается в том, что распределение тока молнии по периметру здания будет более равномерным и между всеми токоотводами создается одинаковый потенциал. Поэтому несмотря на больший объем и трудоемкость монтажных работ при малейшей возможности следует отдавать предпочтение именно этому виду молниезащитного заземления.

При использовании в качестве молниеприемника сетки замкнутых контуров или металлической кровли использование кольцевого заземлителя становится обязательным. А если удельное сопротивление грунта 300 –превышает значение 500 Ом·м, то в местах присоединения идущих от токоотводов заземляющих проводников устанавливается дополнительный вертикальный или горизонтальный радиальный проводник длиной около 3 м.