Молниеотводы — принцип действия, устройство и виды

Вы знали, что в тропических лесах можно наблюдать молниеотводы, созданные самой природой? Это лианы. Обвивая дерево и вплетаясь в его крону, лиана образует путь для отвода электрического тока молнии в землю: в случае удара молнии, сама лиана полностью сгорает, зато спасает дерево, на которое опиралась. Таким образом, живая природа давно использует принцип молниезащиты с помощью молниеотводов.

В нашем сегодняшнем понимании молниеотвод — это искусственное устройство, устанавливаемое на зданиях и сооружениях и служащее для защиты объекта от попадания в него молнии. А между тем, Храмы Древнего Египта были оснащены высокими мачтами обитыми медью. Храм царя Соломона также имеет подобные защитные сооружения. Получается, что люди с древних времен понимали, как важно защищать здания от молний.

Изобретение молниеотвода

В эпоху Просвещения Французский физик Жак Ром , приблизительно в одно время с американским изобретателем Бенджамином Франклином , запускал проволочного воздушного змея во время грозы. Это было в начале 50-х годов XVIII столетия. Электрическая природа молнии тогда полностью подтвердилась.

В Российской империи молниеотводы, независимо от Франклина и Рома, были изобретены в 1753 году Михаилом Васильевичем Ломоносовым и Георгом Вильгельмом Рихманом .

О правильном способе установки молниеотводов для защиты очень подробно писал Франклин. Он предлагал использовать тонкий как гвоздь длинный железный стрежень, вкопанный во влажную землю на метр глубины, и приблизительно на 2 метра возвышающийся над наивысшей точкой здания.

К верхнему концу стержня надлежало прикрепить 30 сантиметровый кусок медной проволоки «толщиной с вязальную спицу, заостренный как игла». Для устойчивости стержень предлагалось крепить к стене дома прочной веревкой.

Для высоких зданий Франклин предлагал прибегнуть к установке двух таких стержней (по одному с каждой стороны дома), соединенных под коньками крыши проволокой.

Принцип действия описывался так: острие будет притягивать к себе молнию и отводить ток в землю, так что молния уже не сможет никому причинить вреда. Подобным образом Франклин предлагал защищать и морские суда, где провод с острием должен был быть закреплен на верхушке мачты и спускаться в воду по обшивке.

Устройство современного молниеотвода

На сегодняшний день мы хорошо понимаем природу разряда молнии и принципы защиты от нее . Грозовое облако накапливает и несет на себе объемный электрический заряд. В это же время на поверхности Земли индуцируется большой поверхностный заряд противоположного знака, соответственно у поверхности Земли значительно возрастает напряженность электрического поля.

Наибольшие величины напряженности электрического поля имеют острия заземленных проводников, по этой причине на верхушках молниеотводов зажигаются коронные разряды, и воздух вблизи них значительно ионизируется.

Вследствие ионизации напряженность электрического поля на острие уменьшается, в связи с чем вероятность удара молнии в данное место снижается. Если разряд все же происходит, то заряд вырывается из молниеотвода и ток уходит таким образом через него — в землю, не причиняя ущерба объекту.

Конструкция молниеотвода включает в себя три части.

Молниеприемник располагается в верхней точке защитной конструкции и служит для приема разряда в момент соединения с каналом молнии. Молниеприемник — не обязательно штырь, это может быть натянутый над объектом трос или сетка.

Токоотвод представляет собой провод большого сечения, который соединяет молниеприемник с заземлителем, с тем чтобы отвести заряд в землю. Третья часть — заземлитель . Заземлитель — это проводник (обычно разветвленный), заглубленный в грунт и непосредственно контактирующий с землей.

Три элемента молниеотвода крепятся на несущей конструкции, которая может располагаться либо на защищаемом объекте, либо возле него. Кроме того молниеотвод может быть встроен в декоративные элементы объекта.

Высота от поверхности земли до молниеприемника делается по возможности большей, однако минимальная высота должна составлять не менее чем 58% защищаемого от молнии радиуса.

Радиус действия молниеотвода можно в принципе повысить, разместив на молниеприемнике источник гамма-излучения, способствующий ионизации при более низкой напряженности наведенного электрического поля на острие. Такиим образом работают устройства активной молниезащиты .

Виды и конструктивные особенности молниеотводов

В качестве стержневых молниеприемников применяют медные штыри диаметром около 15 миллиметров. Радиус защиты таких решений меньше чем у тросовых, однако неброский внешний вид порой бывает важнее.

Тросовые молниеприемники защищают большую площадь чем стержневые. Они применяются, например, для защиты линий электропередач . Проводящий трос соединяется с токоотводом при помощи болтов.

Сетчатый молниеприемник представляет собой металлическую сетку, которая может быть установлена прямо на крыше дома, либо натянута над защищаемым сооружением.

Токоотвод, соединяющий молниеприемник с заземлителем обычно представляет собой толстый медный (или алюминиевый) провод, прикрепленный с одной стороны к молниеприемнику, с другой стороны — к заземлителю, при помощи муфт.

Для крепления токоотвода к несущей конструкции применяют элементы из диэлектрических материалов , а для защиты от внешних воздействий данный проводник помещают в кабель-канал .

Касаемо заземления для молниеотвода важно отметить, что оно всегда представляет собой отдельный контур, который ни при каких условиях НЕ может быть использован для заземления через него же электрической сети . Если так сделать, то от попадания молнии в молниеотвод могут пострадать питаемые от сети потребители.

Минимальная глубина установки заземлителя обычно принимается равной 50 см. В качестве основных элементов здесь используют три металлических стержня длиной от 3 метров и сечением не менее 25 кв.мм. Стержни скрепляются друг с другом болтами с применением шин либо свариваются в форме расположенного параллельно поверхности земли правильного треугольника.

Смотрите также по этой теме:

Молниезащита в частном жилом доме или даче

Как защитить электропроводку от грозовых перенапряжений

Дополнительно:

Электронная книга «В двух словах о молниезащите (проектирование, подключение, заземление и испытания) — IEC 62305, nVent / ERICO», 92 стр. — скачать файл в PDF (на английском языке).

Рисунок «Молниеотводы и устройство молниезащиты жилых, административных и промышленных зданий» с портала electrical-engineering-portal.com: