Главная цель заземляющего устройства – безопасное отвод мощного тока молнии в землю (применительно для систем молниезащиты). Нормативные документы содержат четкие указания о сечении проводников для передачи этого тока, но не упоминают параметры, такие как напряжение и электрические поля, возникающие при распределении этого тока в земле. Важно помнить, что земля является плохим проводником.
Самый проводящий грунт имеет удельное сопротивление в миллиард раз выше, чем у стали, которая обычно используется для заземления. Поэтому при разряде молнии создается сильное электрическое поле в земле, что приводит к опасным напряжениям (особенно шаговым или прикосновения). При анализе существующих нормативов обнаруживается, что они касаются только длины заземляющих шин или конструкции заземлителя, что не является оптимальным подходом.
Сопротивление заземлителя
Если не учитывать нелинейные процессы в грунте, связанные с течением больших токов, сопротивление заземления конкретной конструкции должно быть пропорционально удельному сопротивлению грунта ρ. Например, для стандартного заземляющего устройства, описанного в РД 34.21.122-87 (трех вертикальных стержня длиной 5 м, установленных в ряд с интервалом 6 м и соединенных горизонтальной шиной на глубине 0,5 м), согласно компьютерному расчету сопротивление заземления составит Rз = 0,072*ρ [Ом]. В различных регионах России удельное сопротивление грунта изменяется в диапазоне от 50 до 5000 Ом*м, что приводит к примерно 100-кратному изменению сопротивления заземления стандартного заземлителя (от ~ 3,6 до 360 Ом).
Эта тема может быть дополнительно развита. Если сопротивление заземления опор ЛЭП определяется фактически однозначно, так как оно в значительной степени влияет на грозовое перенапряжение на изоляции проводов, то почему не установить стандарты для сопротивления заземления молниеотводов, ведь к ним провода не подвешивают? Такие вопросы возникают при разработке системы молниезащиты, например промышленных объектов. Заказчики иногда отказываютяс обсуждать уровень допустимого сопротивления заземления молниеотводов. Они говорят: "Страховые компании должны быть уверены, что персонал, находящийся рядом с молниеотводом, не получит электрические травмы во время грозы. Этого достаточно". Возражать бесполезно.
Шаговое напряжение
Сравнивая безопасность заземляющих устройств молниеотводов для защиты персонала предприятия и населения, следует учитывать их эффективность. Молниеотвод способен оберегать любые объекты, включая открытые и доступные для всех. При равном исполнении заземляющих устройств, чем ниже уровень сопротивления заземления (например, из-за менее высокого удельного сопротивления грунта), тем меньше опасности для человека, находящегося в зоне активного тока молнии. Однако заземлители различных объектов чаще всего имеют различные конструкции.
Давайте проанализируем ситуацию, взяв в качестве примера заземляющее устройство из РД 34.21.122-87, которое рассматривалось ранее. В грунте с удельным сопротивлением 100 Ом*м это устройство обеспечит сопротивление заземления Rз = 7,2 Ом, что является приемлемым для стержневого молниеотвода. Теперь сравним его с другим контуром, состоящим из горизонтальных шин, собранных в квадрат со стороной 20 м. В грунте с удельным сопротивлением ρ = 250 Ом*м сопротивление заземления также будет равно 7,2 Ом. Каким образом можно оценить эти заземляющие устройства с точки зрения электробезопасности?
Информация о потенциалах на поверхности земли, в зонах присутствия людей, представлена на схеме ниже. В первом случае расстояние отсчитывается от края горизонтальной шины по прямой линии (кривая 1), а во втором - от середины одной из сторон внутри контура (кривая 2). Также указан потенциал заземлителя. Его значение связано с током молнии по формуле Uз = Rз*Iмол = 7,2*Iмол. По мере удаления от заземляющих шин потенциал на поверхности земли уменьшается, однако с разной скоростью. Например, на расстоянии 1 м от заземлителя #1 человек оказывается под потенциалом U ≈ 3 Iмол, и при касании заземленного корпуса оборудования он подвергается напряжению прикосновения ∆U = (7,2 - 3)*Iмол = 4,2 Iмол.
В тех же условиях напряжение, действующее на человека от заземлителя #2, почти вдвое меньше: ∆U = 2,4*Iмол. Средний по силе ток молнии составляет примерно 30 кА, а значит, напряжение прикосновения будет около 120 и 72 кВ – разница заметна.
Ясно, что только значения сопротивление недостаточно для оценки его эффективности. Еще более убедительной является оценка напряжения шага. Это напряжение действует между ногами человека, подходящего к заземлителю. Порядок оценки этого параметра по кривым распределения потенциала легко понять по графику 1, а результаты расчета для рассматриваемых заземлителей – по графику 2.
Важное значение имеет величина напряжения шага на расстоянии примерно 10 метров. Для второго заземлителя она приближается к нулю, в то время как для первой рекомендуемой конструкции по стандарту значение Uшаг составляет около 0,1 Iмол. Легко убедиться, что при среднем токе молнии 30 кА это напряжение равно 3 кВ, а при экстремально большом токе 200 кА оно поднимается до 20 кВ, что не может не вызывать беспокойства у специалистов по электробезопасности. Возникает вопрос о установлении стандартов для напряжений шага и прикосновения в импульсном режиме, характерном для ударов молнии.
Следует отметить, что в научной литературе и официальных справочниках нет жестких временных рамок. Похоже, что авторы никогда не учитывали микросекундный интервал времени. Для периода времени менее 0,01 с можно найти более или менее точные значения, что значительно превышает характерную длительность молнии. Экстраполяция в столь отдаленные временные промежутки вряд ли будет надежной, и главный вопрос - по какому принципу проводить экстраполяцию? Возможно, на этот вопрос смогут ответить физиологи, а специалист по защите от молнии может предложить лишь пересчет энергии, рассеиваемой в организме.
Понятно, что при определенных значениях удельного сопротивления грунта стандартный молниеотвод может превратиться в источник опасности, подобный электрическому стулу, что противоречит требованиям РД 34.21.122-87. Необходимо учитывать напряжения прикосновения и шага как важные параметры, жестко регламентируемые в национальных инструкциях по защите от молнии, тем более что существуют безопасные конструкции заземлителей, не представляющие угрозы для окружающих.
Комплектующие
Существующая ситуация является неприемлемой. Параметры напряжения прикосновения и шага должны быть включены в список основных критериев, строго регламентируемых в национальных инструкциях по защите от молнии, тем более что возможно предложить конструкции заземлителей, безопасные для окружающих.
Каталог большинства компаний всегда содержит некоторый ассортимент комплектующих для организации монтажа глубинного или кольцевого контура заземления (рис. 3), который позволяет сделать надежную и эффективную конструкцию, соответствующую требованиям.
*На основе статьи Базелян Э.М. Практика молниезащиты. Напряжения при- косновения и шага при ударе молнии// Новости Электро- Техники. 2011. No 3(69). С. 48–49