Захист від блискавки будівель і споруд

          Блискавка як глобальне природне явище стосується усіх і кожного незалежно від того, знає він про це чи ні. Навіть шахтарі не можуть забувати про те, що надшахтові копери, які забезпечують їхній зв’язок з поверхнею землі, є надто привабливими для блискавок. З бурхливим поширенням електроніки та оцифровування технологічних процесів зростає актуальність захисту апаратних засобів від згубних імпульсів перехідних напруг грозового походження. Вдосконалюються знання людства про подробиці зародження та розвиток блискавок, їхні фізичні характеристики, поповнюються відомості про інтенсивність грозової діяльності у різних регіонах світу.

Правило «30/30»

Якщо звук грому чується менш ніж за 30 секунд після спалаху блискавки, слід ховатися без зволікань і не полишати безпечного місця, поки не мине 30 хвилин без грому.

Набуває розвитку новий напрям технології — організаційний захист від блискавок.

За результатами спостереження за накопиченням та рухом грозових фронтів формуються попередження для тих, чия безпека безпосередньо залежить від цього грізного явища. Це, зокрема:

• транспорт;
• енергетика;
• сільське господарство;
• гірничовидобування;
• будівництво;
• масові заходи просто неба тощо.

Безпека громадян полягає у тому, щоб заздалегідь потурбуватися про безпечне укриття на час грози. І чим більше буде споруд, надійно захищених від блискавки, тим легше буде впоратися з цим завданням.

З історії

Блискавка не випадково займає чільне місце у міфології переважного числа народів світу. Саме верховне божество з сонму, якому вклонялися наші пращури, могутній Перун владарював над блискавками. Він мав свою рослину — папороть, дерево — дуб, тварину — кабана та свій день — четвер. Ось і витоки прислів’я про дощик, а ще й про Хорса — божество, до якого зверталися по захист від гніву Перуна: зачувши грім, зображували у повітрі «чесний хрест» (у вигляді Х).

Грім як попередження про небезпеку блискавки та потребу шукати сховище виглядає як гармонійне поєднання стихій. Звідси формулюється просте правило «30/30».

Чим керуватися у виборі заходів захисту

Дороговказом у виборі заходів захисту від блискавки є стандарти, якими у Міжнародній електротехнічній комісії займається технічний комітет ТС81 Lightning protection.

В Україні обов’язки зі стандартизації розділено між технічними комітетами України зі стандартизації:

• ТК 22 «Електромагнітна сумісність та стійкість радіоелектронних, електронних та електротехнічних засобів» (коди за національним класифікатором України «Український класифікатор нормативних документів ДК 004:2008» (далі — ДК 004:2008): 33.100, 33.100.01, 33.100.20, 91.120.40, 33.100.99);
• ТК 315 «Засоби техногенної безпеки будівель і споруд» (код за ДК 004:2008 — 91.120.40 (в частині захисту від блискавки будівель і споруд).

Відповідно до курсу України на гармонізацію національної нормативної бази з міжнародною, наказом Міністерства економічного розвитку і торгівлі України від 28 травня 2012 р. № 640 прийнято чотири стандарти (як національні стандарти методом «підтвердження», тобто текст документів представлений мовою оригіналу):

• ДСТУ EN 62305-1:2012 «Захист від блискавки. Частина 1. Загальні принципи» (EN 62305-1:2011, IDT);
• ДСТУ IEC 62305-2:2012 «Захист від блискавки. Частина 2. Управління ризиками» (IEC 62305-2:2010, IDT);
• ДСТУ EN 62305-3:2012 «Захист від блискавки. Частина 3. Фізичні руйнування споруд та небезпека для життя людей» (EN 62305-3:2011, IDT, далі — ДСТУ EN 62305-3:2012);
• ДСТУ EN 62305-4:2012 «Захист від блискавки. Частина 4. Електричні та електронні системи, розташовані в будинках і спорудах» (EN 62305-4:2011, IDT).

Нормативні колізії

Хоча до цього часу діє ДСТУ Б В.2.5-38:2008 «Інженерне обладнання будинків і споруд. Улаштування блискавкозахисту будівель і споруд» (IEС 62305:2006, NEQ), Закон України «Про стандартизацію» (ст. 17, абзац 4) вимагає його відміни як такого, що суперечить міжнародному.

Як захистити будівлю (споруду) від згубних наслідків блискавки

Людство досі неспроможне ані відвернути виникнення спалаху блискавки, ані навіть якось вплинути на характер розвитку небесної іскри. Проте можна (і потрібно) зменшити до прийнятного рівня згубні наслідки влучання блискавки безпосередньо в будівлю (споруду) чи поблизу неї.

У наведених вище ДСТУ серії 62305 для полегшення діяльності спеціалістів-проектувальників зазначені головні відомості про параметри блискавки та небезпечні фактори, що її супроводжують, та виокремлено їх у:

• певні категорії;
• класи захисту;
• таблиці;
• графіки;
• діаграми;
• рисунки.

Розрізняються області, куди саме влучила блискавка. Чотири випадки позначено латинською літерою S (Source — Джерело пошкодження):

• S1 — безпосередньо в будівлю (споруду);
• S2 — поблизу будівлі (споруди);
• S3 — в лінії комунікацій, які приєднані до будівлі (споруди) — кабелі живлення, лінії телекомунікацій, металеві труби (газ, вода, каналізація, центральне опалення);
• S4 — поблизу ліній комунікацій, які приєднані до будівлі (споруди).

Система захисту від блискавки (далі — LPS) має бути розрахована таким чином, щоб захистити споруду, живих істот у ній, а також електричні/електронні пристрої за всіх чотирьох варіантів джерела пошкодження.

LPS діляться на:

• зовнішні — вберігають будівлю (споруду) від фізичних руйнувань (пожежа, розколювання, розтріскування), а також живих істот у споруді від ураження електричним струмом, який протікає під дією напруги дотику та/чи крокової напруги;
• внутрішні — захищають електричні/електронні системи в будівлі (споруді) від збоїв, які спричиняють імпульсні електромагнітні поля спалахів блискавки (LEMP).

За даними технічного комітету 81 Міжнародної електротехнічної комісії, 2/3 коштів, які щороку витрачаються у світі на блискавкозахист, йдуть на придбання пристроїв захисту від імпульсних перенапруг (далі — SPD). Але якщо поглянути на проекти, які реалізуються в Україні, то з сумом побачимо, що у них переважно йдеться лише про зовнішні LPS. Тому нашим проектувальникам, а також інвесторам належить удосконалювати своє уявлення про принципи побудови систем захисту від блискавки.

З чого складається блискавкозахист будівлі (споруди)

Яким би не був за розмірами та вартістю об’єкт, для його ефективного захисту має бути приділена увага таким складовим LSP, як системи:

• перехоплення;
• доземних провідників;
• земляного закінчення;
• еквіпотенційних сполучень (далі — ЕВ).

Система перехоплення призначена для перехоплення спалаху блискавки, внаслідок чого суттєво зменшується ризик фізичних руйнувань. Складається вона з довільного поєднання стрижнів та провідників, які або утворюють сітку, або натягнуті над спорудою. Кожен елемент цієї системи створює навколо себе об’єм, який досить надійно захищений від блискавки. Усі вони разом накривають споруду невидимим захисним «шатром». Для цього ДСТУ EN 62305-3:2012 передбачено такі інженерні методи, як метод захисного кута та метод сфери, що котиться (RSM).

Система доземних провідників призначена для відведення струму блискавки від перехоплювачів до землі. У цьому випадку намагаються використати всі струмопровідні шляхи, аби розподілити струм (а він складає десятки тисяч ампер) на якнайбільш можливе число «струмочків». Для цього усі доземні провідники з’єднують між собою кільцевими провідниками на позначці покрівлі та поблизу поверхні землі. Проектувальники виконують розрахунки відстані, якої належить дотримуватись, аби відвернути іскріння між провідниками LPS та конструктивними струмопровідними частинами споруди та її інженерними системами.

Система земляного закінчення — це найнижча частина LPS, яка занурена до землі і має добрий електричний контакт з нею. Цей термін, взятий з ДСТУ EN серії 62305, є дещо новим для наших спеціалістів, які звикли називати цю частину LPS уземленням («заземлення» — калька з російського «заземление»). Насправді система земляного закінчення стає системою уземлення, коли додати до неї ще систему ЕВ. На жаль, у надто великому числі вітчизняних проектів система ЕВ або взагалі відсутня, або являє собою довший чи коротший витяг з ДСТУ (замість конкретизувати прийняті технічні рішення та зобразити їх детально у графічній частині).

Система ЕВ призначена для відвернення виникнення різниці потенціалів між окремими струмопровідними конструкційними елементами споруди та інженерними системами. На щастя, багато вимог щодо цього розділу міститься у «Правилах улаштування електроустановок», затверджених наказом Міністерства енергетики та вугільної промисловості України від 21 липня 2017 р. № 476, зокрема в главі 1.7. Передусім, вони орієнтовані на дотримання вимог з електробезпеки. Зокрема, у випадку пошкодження ізоляції мають надійно спрацьовувати такі пристрої захисту мереж, як автоматичний вимикач («автомат») та пристрій захисного відключення.

За вдумливого проектування та достатньої кваліфікації будівельників система ЕВ створюється разом зі зведенням будівлі.

Типовою помилкою починаючих проектувальників є надмірна увага до системи перехоплення, тоді як надійна й ефективна LPS потребує належної уваги до кожного з чотирьох наведених вище варіантів S.

Приклад: Риштунок залізобетону плити підлоги перетворюється на еквіпотенційну поверхню, якщо перед заливанням бетону влаштувати сітку з поцинкованої штаби 30Ч3,5 мм з коміркою 20Ч20 м. Випуск від цієї сітки належить підключити до сполучної шини системи ЕВ. Цей нескладний захід ефективно знижує ризик для живих істот через виникнення крокової напруги.

На загостренні уваги до перехоплення побудовано одну зі спекуляцій — так званий «активний» блискавкозахист. Передовсім зазначимо, що ця чисто комерційна назва відсутня як технічний термін у нормативних документах. У наукових колах її називають системою з ранньою емісією стримерів (ESE) та відносять до числа контраверсійних теорій. Вони не мають ані теоретичного, ані експериментального підтвердження рекламованої незвично високої ефективності перехоплення блискавки. Натомість за останні 20–25 років накопичено чимало фактів прориву блискавок крізь об’єм, який побудовано за рецептами адептів ESE-систем, тобто з порушенням вимог нормативних документів з блискавкозахисту.

Бюджетні варіанти LPS

Важливо зрозуміти, що ризики від грозової діяльності обраховуються статистичним шляхом. Якщо розрахунки демонструють, що споруду може бути уражено раз на кожні 5 років, ця подія може відбутися у будь-який з цих років.

Економічна доцільність LPS проявляються лише за умови її утримання у працездатному стані протягом тривалого часу (20–25 років). Цьому неабияк сприяє механічна і корозійна стійкість компонентів LPS.

Незабаром буде введено в дію два ДСТУ EN серії 62561, які містять вимоги щодо компонентів LPS та методів їх випробування. Завдяки цьому проектувальники та інвестори матимуть змогу вимагати від виробників або уповноважених постачальників додавати декларацію відповідності до їхніх виробів, обираючи той чи інший бренд.

ДСТУ EN 62305-3:2012 передбачено використання так званих природних компонентів LPS. Ними є конструктивні та/чи декоративні елементи будинку, матеріал та розміри яких допускають таке використання. Оскільки важливою умовою є дотримання електричної безперервності, багато в цій справі залежить від стадії проектування та зведення споруди. Декоративні сталеві прикраси на даху можуть перехоплювати блискавку. Доземні провідники можна сховати у визубні або взагалі прокласти у плетиві сталевого риштунку залізобетонної колони. Фундаментну плиту також можна перетворити на виключно ефективний уземлювач. Численні еквіпотенційні сполучення набагато легше виконати під час спорудження будинку, а не тоді, коли вже завершено опоряджувальні роботи.

Дещо про москітів та носорогів

Що можна порадити власнику споруди зробити в першу чергу й невеликим коштом, аби поліпшити захищеність від блискавок? Це — система ЕВ та SPD для захисту найбільш цінного електронного обладнання. У ввідному електрощитку є головна сполучна шина (далі — ГСШ), приєднана до уземлювача електроустановки споживача. Її легко впізнати за жовто-зеленим кольором ізоляції проводів, які до неї підведені. До цієї ГСШ мають бути підключені усі струмопровідні комунікації, що заходять до будинку (див. джерело пошкодження S3 вище). Для цього надаються спеціальні трубні контактні хомути, які мають клему для приєднання провідника у жовто-зеленій ізоляції.

Говорячи про SPD, зазначу, що вони діляться на наступні типи:

• тип 1 здатний витримати частковий струм блискавки;
• тип 2 і тип 3 розраховані лише на протидію слабшим електромагнітним завадам.

Кардинальним рішенням є встановлення SPD типу 1+2 (комбінований) у ввідному щитку відразу після ввідного «автомата». Така процедура потребує участі кваліфікованого електрика. Проте можна самостійно захистити свою електроніку, включивши її у розетку через захисний пристрій — SPD типу 3. За однієї умови: захисний контакт розетки має бути підключений до жовто-зеленого провідника захисної землі (РЕ). Звичайно, SPD типу 3 просто вибухне, якщо блискавка влучить не те що в будинок, а навіть за 100–200 м від нього. Проте, як було зазначено вище, трапляється таке зрідка. А от дрібніших імпульсів, які цей SPD цілком здатен подолати без пошкоджень, буде ой як багато кожного грозового сезону.

Доречною буде аналогія з протимоскітною сіткою на вікні спекотної пори. Звичайно, якщо трапиться носоріг, сітка його не затримає. Проте носоріг не ходить під нашими вікнами щодня, чого не скажеш про комарів. А вони хоч і не становлять небезпеки для нашого життя, проте відчутно порушують його комфорт. Тобто під захистом SPD типу 3 електроніка буде працювати набагато надійніше. А власник, набувши досвіду, може продовжити нарощувати захист від небезпек блискавки.

Тож захистимо наших електронних помічників від електричних «москітів» вже цього грозового сезону!