Блискавка являє собою одне з наймогутніших природних явищ, яке людство й досьогодні не в змозі відтворити штучно у повному обсязі. Від первісного поклоніння наших предків могутньому Перуну, через розвиток, започаткованих Бенджаміном Франкліном 250 років тому систем зовнішнього блискавкозахисту, аж до сьогоднішніх заходів забезпечення електромагнітної сумісності електричних/електронних систем – людство вперто боронить свої гніздечка від грізних проявів атмосферної електрики. Пропонований читачеві матеріал має на меті висвітлити існуючі і перспективні проблеми та шляхи їх вирішення.
Умови виникнення і характеристики блискавки
Заряди атмосферної електрики накопичуються у хмарах, які й звуться «грозовими». Ми вирізняємо їх за висотою, похмурим і грізним «синім» виглядом та вихорами, які провіщують наближення грози. Ту хмару постійно підживлюють водяною парою висхідні потоки, оспівані В. Висоцьким: «…и раздувают щеки холодной острой бритвой восходящие потоки», у яких ширяють орли та чорногузи, відшукуючи ці «повітряні ліфти» за допомогою чутливих пір’їн на кінчиках крил. Полюбляють їх і «сталеві птахи», але вчуватися мусять у напруженість електричного поля «хмара-земля», аби уникнути блискавки. Поле виникає внаслідок того, що:
- вода, потрапивши досередини хмари, набуває кшталт додатньо електрично заряджених крижинок і від’ємно заряджених градинок;
- висхідні потоки, наче відділяючи зерно від полови, підхоплюють більш легкі крижинки (+) на висоту аж до 15 км, тоді як важкі градинки (-) осідають у центральній частині хмари;
- під хмарою, на поверхні землі і на всіх предметах, згідно із законами електростатики, накопичуються заряди протилежного знака (+).
Рис. 1. Типовий розклад зарядів у грозовій хмарі і під нею: а — водяна пара; б — механізм утворення і розділення електричних зарядів; в — від’ємна блискавка «хмара-земля»; г — додатна блискавка «хмара-земля»; д — зустрічні стримери
Додатні заряди згубно впливають на людей і тварин – з цієї причини природа затихає перед грозою, все живе ховається у шпари, дупла, кущі і печери, скоса позираючи на свинцево-чорну хмару, переповнену, як ми тепер знаємо, крижинками, градинками і сонячною енергією у формі надпотужного електричного поля. Зі схожим полем, щоправда змінного струму 50 Гц, добре знайомі працівники електропідстанцій повітряних ліній високої напруги. Автору на власній шкурі довелося відчувати градієнт електричного поля на ОРУ 1150 кВ під Кокчетавом, коли напруга на вершечку травинки у 30 см заввишки була достатньою, щоби відчутно «дзьобнути» литку крізь джинсову тканину. За інструкцією траву ту належало косити у екрануючому костюмі із вплетеними металізованими нитками. До речі, у чоловіків, які тут працювали, народжувалися переважно хлопчики!
Всередині хмари, між зарядами протилежного знака, також виникає електричне поле; зазвичай тут нагромаджується ціла система зарядів додатної і від’ємної полярності. Ніде правди діти – вищенаведений механізм утворення атмосферної електрики є лише одним, найбільш широко уживаним поясненням складних природних явищ. Існують інші теорії, адже вивчення розподілу зарядів усередині хмари є досить складним завданням, дослідженнями цих явищ займається чималий гурт фахівців і наукових установ. Так чи інакше, доки світить сонечко – висхідні потоки, знай собі, «накачують» хмару електричними зарядами, аж доки грім не гряне.
Адже повітря править за електричну ізоляцію лише до певної межі напруженості електричного поля, яка, в залежності від атмосферних умов, становить 0,5…10 кВ/м. Саме цей параметр контролюють системи безпеки літаків, знаходячись під хмарою. Є системи попередження і у нас з вами. Минулого літа кілька молодих людей, мандруючи у горах, з подивом відчули, як їхнє волосся стало дибки й з його кінців посипалися іскри. Унікальне явище негайно увічнили на знімку, але для декількох це було останнє прижиттєве фото – за кілька секунд групу накрив розряд блискавки… На щастя, переважна частина атмосферних розрядів спалахують всередині хмари, або між хмарами: заряджених ділянок тут багато і два-три невеликих розряди здатні іонізувати повітря у певній зоні, порушивши хистку електрорівновагу. Від’ємний розряд у напрямку землі розвивається наступним чином.
За критичних значень напруженості поля починається процес ударної іонізації атомів газів, з яких складається повітря. Вільні електрони, розганяючись електричним полем, іонізують атоми, залучаючи до своїх лав все нові й нові електрони. Такі лавини електронів громадяться у стримери – канали з підвищеною провідністю, а поєднання стримерів сплітаються у повітрі у термоіонізований канал високої провідності – лідер блискавки. Цей лідер називають ступінчастим, тому що й блискавка росте дискретно. Кожен «стрибок» лідера становить близько 50 м, що відповідає радіусу електричного поля критичної напруженості сферичної форми. Замкнувши своїм каналом черговий проміжок «центр сфери – поверхня», лідер «завмирає» приблизно на 50 мкс, допоки навколо головки лідера знов сформується сферичне поле, енергія для створення якого доставляється з матінки-хмари термоіонізованим каналом біля 5 см завтовшки. З наближенням до землі напруженість навколо головки лідера зростає і ось уже від заземлених предметів назустріч йому починають проростати зустрічні стримери зі струмом у сотні ампер (рис. 1, д), завдяки чому відбувається первинне розрядження тієї ділянки хмари, з якої почався розвиток лідера. У цій стадії лідер має найбільш розгалужену форму, тож дуже важко визначити, яка (або й які) саме з його «гілок» зімкнуться з зустрічними стримерами. Тоді розряд вступає у завершальну фазу – зворотного, або головного розряду добре іонізованим каналом лідера. Струм тут становить від десятків до кількох сотень кілоампер, температура канала – 20 000…30 000оС, а швидкість його просування – до 100 тисяч км/сек. Тільки тут канал спалахує біло-блакитним сяйвом, що дозволяє побачити той звивистий шлях, яким попередньо, незримо для нас, пройшов був лідер. Вибухове розширення каналу сприймається нами як грім. Розпечений й іонізований канал блискавки зазвичай править за второвану дорогу, якою грозова хмара розряджається на землю кількома наступними імпульсами (рис. 2). Повторні імпульси характеризуються меншою амплітудою, але більш стрімким фронтом. Між імпульсами каналом може текти струм постійної складової.
Рис. 2. Реальний грозовий імпульс та стандартизований «10/350»
Як вже було сказано, такий розряд називається від’ємним на відміну від додатного (рис. 1, г), який найчастіше зароджується збоку від верхньої частини грозової хмари (відповідно заряджені легкі крижинки громадяться саме тут). Якщо «мітла» від’ємної блискавки скерована «держаком» догори, то додатна запускає углиб хмари численні від’ємні «гілочки», збираючи заряди одразу від кількох груп зарядів. Могутній «держак» спалахує червоним, він скерований до наземних об’єктів, несучи у одному каналі розряду руйнівний сумарний струм «гілочок». Саме він є винуватцем пожеж і героєм приказки «грім посеред ясного неба». На наше щастя, додатні блискавки трапляються рідко. Найдовші, довжиною у сотні кілометрів, вдалося помітити у верхніх шарах атмосфери завдяки розвитку пілотованих навколоземних космічних польотів. Саме вони є основним постачальником озону для протирадіаційного екрана нашої планети.
Підсумовуючи викладене, звернемо увагу на такі важливі для подальшого розгляду моменти:
В1) Виникненню блискавки передує суттєве підвищення напруженості електричного поля, яке відчувають живі істоти, а також здатні фіксувати прилади.
В2) Шлях, яким відбувається атмосферний розряд, є важкопрогнозованим і формується ступенями близько 50 м завдовжки.
В3) Блискавка має розгалужену форму на лідерній стадії, наприкінці якої від заземлених предметів вини кають зустрічні стримери зі струмом у сотні ампер.
В4) Струм головного розряду блискавки має форму імпульса із фронтом близько 10 мкс і амплітудою у десятки кілоампер.
LEMP. Електромагнітний імпульс блискавки
Від канала блискавки, із швидкістю світла, розповсюджується імпульсне електромагнітне поле. У відповідності із законами електромагнітної індукції, у всіх провідних елементах, що потрапили у це поле, виникають імпульси напруги, а у замкнених контурах протікають імпульсні струми (рис. 3).
Рис. 3. Виникнення наведених імпульсів перенапруг у лініях електрокомунікації і провідних конструкційних елементах внаслідок близького розряду блискавки
Амплітуда наведених (або «транзієнтних», як їх полюбляють називати у перекладах на кирилицю комп’ютерні програми) імпульсів визначається, серед іншого:
- амплітудою (найчастіше 10…30 кА) і формою імпульса блискавки;
- відстанню від канала головного розряда і його розташуванням відносно вторинного контура;
- конструкцією і протяжністю вторинного контура – лінія живлення, коаксіал, вита пара;
- екрануванням, або наявністю поблизу «природних» екрануючих елементів.
Маючи базу даних щодо грозової активності протягом року, можна опрацювати її, отримавши такі узагальнюючі показники, як от:
- грозові дні (Td);
- грозові години (Th);
- щільність грозових розрядів на 1 км2 (Ng);
- інтенсивність грози (число розрядів на годину).
Норма МЕК [3] являє собою, використовувану у Європі, методику оцінки ризику, пов’язаного з грозовим ураженням, зокрема значення параметра Ng не перевищує 4,5 ударів на 1 км2 на рік. У таблиці 2 показано результати перерахунку Th у Ng за методикою, наведеною у [2], з яких випливає, що інтенсивність гроз на Україні є ніяк не меншою, ніж у Європі, де питанням блискавкозахисту приділяють суттєво більше уваги. Монтажники на виставці у Сімферополі зауважували автору, що у наших будівельних каталогах і гадки немає про блискавкозахист, тоді як у країнах Середземномор’я (та сама кліматична зона, що й Крим) такі системи чітко видно на кольорових малюнках вишуканих котеджів.
Із цього розділу робимо наступні висновки:
В5) У всіх провідних частинах, які знаходяться поблизу (1,5…2 км) від місця удару блискавки у заземлений предмет, індукуються мікросекундні імпульси напруги/струму;
В6) Індуковані імпульси, амплітуда яких у 10–30 разів перевищує робочі параметри, здатні пошкодити апаратуру або викликати збій;
В7) Сусідство високої споруди, у яку часто влучатиме блискавка, не стільки захищає об’єкт, скільки змушує додатково захищати мережі від небезпечних імпульсів, індукованих LEMP.
В8) Інтенсивність гроз на Україні заслуговує на значно більшу увагу, ніж це є тепер.
В9) Інформаційно розвинуті держави активно використовують і розвивають апаратно-програмні засоби для локації атмосферних розрядів.
В10) Для запобігання шкоди від блискавки можна використовувати попередження про наближення грози за даними з Інтернету або від встановлених самотужки комп’ютеризованих систем моніторингу.
Блискавкозахист
Два попередні розділи зміцнили нас у думці, що розряд блискавки є найбільш небезпечним імпульсним електричним явищем, здатним серйозно зашкодити нормальній роботі електричних/електронних пристроїв. Щоправда, у мирний час, оскільки електромагнітний імпульс ядерного вибуху NEMP (Nuclear ElectroMagnetic Pulse) є ще могутнішим за LEMP (Lightning ElectroMagnetic Pulse). Військово-технічні технології дозволяють створити NEMP іншими методами – без самого ядерного вибуху. Але, заглибившись у електромагнітно-імпульсні подробиці, не варто забувати про необхідність захисту майна і життя від прямого ураження блискавкою. Згадавши висновок В3, обладнаємо захищувану споруду штучним «зустрічним стримером» у вигляді достатньо високо піднятого заземленого металевого стрижня у намаганні перехопити лідер. От тільки перевірити дієвість такого блискавкозахисту вдається лише статистично. Тобто:- лідер рухається стрибками по 50 м довжиною (висновок В3);
- людство досі не спромоглося створити електричну установку, здатну пробити повітряний проміжок у 50 м;
- досліди, проведені в гірських або тропічних «природних» умовах, де інтенсивність блискавок відносно вища, лише умовно можна розповсюдити на помірні широти і рівнини (а саме тут розташовано більшість захищуваних об’єктів);
- блискавки «за викликом», ініційовані тригерним методом (ракета з дротом під хмару), також не є цілком природними (могли ж і не влучити у досліджуваний об’єкт, коли б не іонізований канал (та ще й з металом, що випарувався).
Основним діючим вітчизняним нормативним документом [4] щодо влаштування блискавкозахисту споруд передбачено лише пасивний блискавкозахист, у чому його вимоги збігаються з міжнародними нормами [5]. Доводиться визнати, що у модернізації цих норм ми відстали не тільки від центральноєвропейських, а й від деяких пострадянських країн. Неабиякий професіоналізм і обізнаність належить мати тому проектувальнику і монтажнику, який намагається триматися на рівні своїх європейських колег, маючи справу з амбітними спорудами і сучасними будівельними конструкціями. Адже у нас, як проектування, так і монтаж систем блискавкозахисту, є ліцензованою діяльністю, яка потребує спеціального дозволу від МНС. Тим не менше, легальне, економічно обґрунтоване технічне рішення завжди можна знайти, варто лише вчасно, ще до закінчення фундаменту споруди, мати проект системи блискавкозахисту. Отже, порядок проектування зовнішнього блискавкозахисту (бо є ще й внутрішній).
Споруда з монолітного залізобетону у міській забудові
Почнемо із фундаментного заземлювача, тобто, відповідно до рекомендацій [4, 5], намагатимемося використати сталеву арматуру для відведення у землю струму блискавки. Такий спосіб є економічно доцільним, дозволяє отримати надійний заземлюючий пристрій, розрахований на довготривалу експлуатацію, але потребує відповідної культури виробництва, адже всі електричні з’єднання залишаться у товщі бетону і виправити недбалість буде ой, як не просто. Спершу належить прокласти периметром споруди оцинковану штабу 30×3,5 мм (має бути щонайменше 100 мм2). У бетоні вистачить цинкування у 250 г/м2, тоді як для розміщення у ґрунті має бути 500 г/м2. Штабу прокладають крізь плетиво арматури, влаштовуючи з нею електричне з’єднання кожні 20 м за допомогою призначених для цього затискачів. Далі, вздовж і впоперек контура фундаменту, таким же чином прокладають штаби, утворюючи сітку з коміркою 20×20 м (рис. 4).
Рис. 4. Приклад конструкції фундаментного заземлювача з сіткою 20×20 м із оцинкованої штаби 30×3,5 мм згідно стандарту DIN18014:
1. Фундаментний заземлювач.
2. Приєднувальна шина заземлювача.
3. Клемма «штаба-арматура».
4. Клемма «штаба-штаба».
5. Додаткове з’єднання гнучкою шиною у місці розриву арматури.
6. ГШЗП у ввідному пристрої.
7. ДШЗП у місцях вводу сигнальних ліній і неелектричних металевих комунікацій.
8. Випуски від заземлювача вбік, досередини споруди
Від сітки робляться випуски:
- вгору, до кутових і фасадних (з кроком 20 м) колон, у яких проходитимуть струмовідводи з даху;
- вбік, досередини споруди на тих відмітках, де, у ввідному пристрої, будуть встановлені головна шина зрівнювання потенціалу (ГШЗП) та, у місцях введення інформаційних ліній, водогону і водовідведення, допоміжні (ДШЗП).
У ході монтажа несучих залізобетонних конструкцій споруди належить прокласти вибраними колонами струмовідводи блискавкозахисту. Вони можуть бути з тієї ж штаби, або з арматурної сталі. У останньому випадку окремі відрізки з’єднуються зварюванням і фарбуються у яскравий колір для полегшення контролю безперервності електричних з’єднань. Від струмовідводів колон, таким же чином, як і у фундаменті, робляться випуски:
а) на фасадну поверхню поблизу землі та через кожні 20 м по висоті – для створення у подальшому опасок, які вирівнюють струми між струмовідводами, або для приєднання до каркасів навішуваних/вітражних систем;
б) на фасадну поверхню у місцях, де може бути встановлене електричне устаткування (антени, сонячні батареї/колектори, кліматизація);
в) досередини у місцях, де можуть бути встановлені місцеві ШЗП (ванні кімнати, серверні, апаратні служби зв’язку і охорони).
Завершальним етапом є монтаж блискавкозахисної сітки на пласких дахах. Тут також належить максимально використати «природні» блискавкоприймачі і струмовідводи. Номенклатура виробів, призначених для цієї частини систем блискавкозахисту, найбільш розмаїта, тому ретельний виклад цього розділу ввійде у наступну публікацію.
