Зачем нужны токоотводы

Из цикла статей "Молниезащита для новичков".

Молниеотвод – простое устройство. Он состоит из молниеприемника, в который ударяет молния, и заземляющего устройства, через которое ток молнии попадает в землю и растекается там. Молниеприемник должен быть металлически связан с заземлителем. Эту связь осуществляет токоотвод. Его функцию часто выполняют металлоконструкции опоры, на которой установлен молниеприемник. На этой фотографии с железобетонной опорой специального токоотвода не видно. Ток молнии потечет здесь к земле через арматурные стержни, спрятанные в бетоне. Казалось бы, все понятно и не нуждается в объяснениях. Тем не менее, специалисты продолжают присматриваться к токоотводам и с каждым годом все пристальнее. Столь повышенный интерес к пассивно ведущей себя железке заслуживает внимания.

Рис 1.

Молниеприемник перехватил канал молнии и тем самым защитил объект от прямого удара. Но ток молнии I_M никуда не делся. Он протекает через токоотвод, создавая магнитное поле. Практически оно такое же, как и в окрестности молниевого канала, потому что величины тока молнии молниеотвод не меняет. Напряженность магнитного поля убывает обратно пропорционально расстоянию r от точки наблюдения до токоотвода

Для специалиста по молниезащите важно, с какой скоростью она меняется во времени. Значит исследователи молнии должны предоставить инженерам еще один важный параметр – скорость роста тока при ударе молнии в молниеотвод. Ее регистрация – не самое простое дело. Датчик должен успевать реагировать на самые кратковременные всплески тока. Придумана даже специальная характеристики датчика. Ее называют временем ответа. Чтобы измерить время ответа, на вход датчика надо подать прямоугольный сигнал и посмотреть, что получится на выходе. Мгновенной реакции быть не может. Поэтому фронт выходного сигнала сгладится примерно так, как это показано на Рис. 2.

Рис 2.

Длительность роста выходного сигнала до максимального значения как раз и определяет время ответа. По мере совершенствования датчиков оно очень заметно сокращалось. В начале XX века это было около 10 мкс, сегодня – по крайней мере в 1000 раз меньше. Так вот по мере совершенствования датчиков регистрировались молнии со все большей скоростью роста тока A_I. В современные нормативные документы по молниезащите записана фантастическая величина A_I = 210¹¹ А/с! Ее значимость можно почувствовать, опираясь на закон электромагнитной индукции: ток, меняющийся со скоростью А_I, возбуждает в контуре площадью S ЭДС

если контур удален от проводника с током на усредненное расстояние r_ср. В этой формуле μ₀ = 4π10^-7 Гн/м – универсальная константа, называемая магнитной проницаемостью вакуума.

Стоит подставить конкретные значения в формулу, чтобы оценить, о каких уровнях наведенного напряжения может идти речь. Итак, A_I = 210¹¹ А/с, площадь контура S = 1 м, а усредненное расстояние до него 10 м. В итоге наведенное напряжение равно 4000 В. Остается сравнить эту величину с рабочим напряжением ваших домашних электроприборов, чтобы представить последствия дистанционного воздействия молнии. Чтобы не расстраивать читателя, не хочется вспоминать о микропроцессорной технике с рабочим напряжением около 5 В. Сегодня ею заполнены и офисные здания, и промысленные предприятия, и даже жилые дома. Стоит такая техника недешево, а последствия ее повреждения могут быть крайне тяжелыми. Вывод единственный, - магнитное поле молнии надо ограничивать. Этого можно добиться, удаляя молниеотвод от защищаемого здания. Решение полнее очевидное, но дорогое, потому что далекий молниеотвод должен иметь большую высоту. Иначе здание не попадет в зону защиты. Вот почему такое решение редко используется на практике. Чаще всего молниеотвод (или молниеотводы) устанавливаются непосредственно на крыше здания. Двигать их некуда. В руках инженера остаются только токоотводы.

Ток молнии можно направить к земле по единственному пути, а можно его раздробить, нагружая сразу несколько токоотводов. Последствия такого дробления заслуживают внимания.

Рис 3.

Формула для напряженности магнитного поля, записанная выше, как раз справедлива для длинного тонкого проводника с током I, каковым является одиночный токоотвод. Он будет вынужденно транспортировать к земле весь ток молнии. На рис. 3 (верхняя кривая) график напряженности магнитного поля построен по этой формуле в логарифмическом масштабе для единичного тока (по оси ординат откладывается величина H/I). Магнитное поле от одиночного токоотвода самое сильное. Следующая кривая на графике демонстрирует, как меняется магнитное поле на диагонали высокого здания с квадратным основанием 50х50 м, когда 4 токоотвода размещены в его углах. Для удобства на оси абсцисс отложено расстояние от угла здания, измеренное по длине его фасада. В расчете ток был распределен поровну между токоотводами (в силу полной симметрии), а значение напряженности в каждой точке получалось векторным суммированием составляющих от тока в каждом из токоотводов.

Как видите, эффект впечатляющий. Так, на расстоянии более 5 м от токоотвода магнитное поле ослабело почти на порядок величины по сравнением с одиночным токоотводом. Ближе к центру здания последствия еще заметнее. Значит есть прямой смысл в увеличении числа токоотводов. Это демонстрируется нижней расчетной кривой, при построении которой предполагалось, что токоотводы размещены с шагом 2 м по внешнему периметру здания и их число равно 100.

Читатель вправе упрекнуть меня в расточительстве, заметив, что на высотное здание при таком исполнении молниезащиты пойдет немало дополнительного металла. Не советую спешить с обвинениями. В современном здании роль токоотводов могут выполнить многие строительные конструкции, например, металлическая арматура колонн. Очень подходит для этой цели и арматура стеклопакетов, если между ними обеспечен хороший контакт по всей высоте здания. Шаг в 2 м на последнем графике рис. 3 выбран как раз в расчете на стеклопакеты. Теперь остается добавить, что ослабление напряженности магнитного поля приведет к точно такому же ослаблению ЭДС магнитной индукции во внутренних электрических цепях здания и все это с очень малыми дополнительными расходами.

Обратимся к зданию индивидуальной застройки. Как правило, в нем нет металлических или железобетонных колонн, а стеклопакеты не закрывают почти полностью поверхность стен, как в современных высотных сооружениях. Молниеотводы на крыше здания, да и его кровлю приходится связывать с заземлением в лучшем случае двумя токоотводами. При ударе молнии по каждому потечет очень приличный ток. Конечно, число токоотводов можно увеличить, но большого эффекта здесь добиться нелегко – не те габаритные размеры. Внутреннюю электрическую аппаратуру коттеджа придется защищать иным путем. С помощью специальных приборов, ограничивающих электромагнитные наводки. Сейчас же речь пойдет о самих токоотводах. Они представляют вполне реальную опасность.

Ток в токоотводе создает на нем падение напряжения, но не за счет сопротивления (для толстого металлического провода оно слишком мало), а в результате той же электромагнитной индукции. Любой проводник обладает индуктивностью, которая измеряется в генри. Индуктивность тонкого проводника не слишком велика, примерно 10^-6 Гн на 1 м длины. Но не следует забывать об исключительно высокой скорости роста тока молнии A_I. Благодаря ей на индуктивности L возникает индуктивная составляющая напряжения.

Оценка при A_I = 10¹¹ А/с позволяет почувствовать порядок величины напряжения на 1 м токоотвода U_L≈10^-6×10¹¹ = 10⁵ В. Напряжением в 100 кВ не стоит пренебрегать. Вот почему нормативы по молниезащите рекомендуют располагать в труднодоступных местах, где их не могут коснуться люди.

Э. М. Базелян, д.т.н., профессор
Энергетический институт имени Г.М. Кржижановского, г. Москва

Надеемся, что в дальнейшем этот сайт выполнит роль элементарного учебника по самообороне от молнии. Мы планируем постоянно размещать здесь статьи о реальных опасностях грозового электричества и современных средствах молниезащиты. Они призваны помочь разобраться в существе проблемы и оценить доступные вам пути ее решения.