Громоотвод

Громоотвод

ГРОМООТВОД, приспособление для предохранения зданий, судов, электрических установок и т. п. от разрушительного действия молнии. Действие громоотвода основано на свойстве металлических остроконечий извлекать электричество из наэлектризованных предметов, в сторону которых остроконечия обращены.

Громоотвод для защиты зданий состоит из: 1) приемника, 2) громоотводного провода, идущего вдоль здания, и 3) заземляющего громоотводного провода.

Приемник громоотвода способствует тому, чтобы молния пошла по громоотводу, а не по зданию. Приемник представляет собою металлический шест, обыкновенно с медным острием, устанавливаемый в наиболее подверженных грозовому удару пунктах здания и возвышающийся не более чем на 4 м над крышей (фиг. 1).

Приемник громоотвода

Громоотводные провода, идущие вдоль здания, соединяют приемник с заземляющими громоотводными проводами, а также соединяют большие металлический массы здания (железные крыши, железные лестницы, газо-, водо- и теплопроводы) для предупреждения перескакивания искр на эти массы. Кроме того, могущие возникнуть в громоотводных проводах явления индукции могут явиться причиной побочных разрядов; поэтому при устройстве проводов необходимо избегать спиралей, острых углов, а при обширных зданиях следует проводить от приемника к земле несколько проводов.

По своей форме громоотводный провод может быть массивной проволокой, проволочным канатом или металлической лентой. Лучше всего противостоят воздействию погоды и удобнее всего в отношении прикрепления проволочные канаты из меди. Наиболее надежные сечения даны в следующей таблице:

Сечения громоотвода

В качестве материала для громоотводных проводов применяются также цинк и свинец. Громоотводный провод обыкновенно припаивается к приемному шесту; место спайки д. б. защищено от действия непогоды небольшой крышей. Металлические части здания - металлические крыши, водосточные трубы газо- и водопроводы - могут заменять собою особые громоотводные провода вдоль здания.

Заземляющий провод громоотвода служит для передачи электрического  заряда облака в землю; этот провод заканчивается в земле ниже уровня постоянной грунтовой воды (фиг. 2) в виде медной пластины А (поверхностью до 1 м2 и толщиной в 1,5—2 мм), прямой вертикальной или изогнутой цилиндрически или в виде буквы S.

Заземляющий провод громоотвода

Подземные трубы газо-и водопровода являются очень хорошими заземляющими проводами. Сопротивление перехода в землю на глубине до 10 м не должно превышать 10—16 Ом; при большей глубине допускается увеличение сопротивления на 1 Ом на каждый метр глубины. Иногда применяется «соление» почвы в месте контакта заземляющих пластин; во многих случаях достаточно зарыть в почву на глубину до 1 м оцинкованную газовую трубу.

В защите от молнии нуждаются гл. обр. здания, одиноко стоящие или возвышающиеся над другими (колокольни, фабричные дымовые трубы). Здания для хранения взрывчатых веществ требуют особой защиты от молнии; на них устанавливают громоотводы типа фарадеевской клетки. Такие здания обыкновенно окружают земляным валом, более высоким, чем само здание. На высоте 2 м на самой высокой части его протягивается сеть железных или медных проводов с сечением 10—15 мм2 с отверстиями в 1 м2. По 4—5 таких проводов затем соединяют вместе и укрепляют на шестах, расположенных на валу и заземленных. Непосредственно под крышей протягивается железная сетка из 2-мм оцинкованной проволоки с отверстием в 100 мм2; заземляющие провода идут на расстоянии 3 м друг от друга. В этом случае приемные шесты излишни, но внутри здания принимают целый ряд предосторожностей; на громоотводном проводе, идущем вдоль здания, устанавливаются контрольные аппараты, показывающие, пришлось ли громоотводу функционировать. Эти аппараты представляют собой магнитную иглу, в которой при проходе молнии через громоотвод разрушается или нарушается магнетизм. Изменившееся положение иглы отмечает функционирование громоотвода. Не реже одного раза в год громоотвод подвергают испытаниям, т. е. измеряют сопротивление его переменным током, во избежание поляризации на заземляющей пластине. Через каждые 3—4 года полезно осматривать заложенные в земле части громоотвода для поверки степени заржавленности заземленных частей.

Действие грозовых разрядов на громоотводы. На практике различают (Лодж, Флеминг) две категории грозовых разрядов, для предохранения от которых служат громоотводы. Первая из них характеризуется постепенным нарастанием потенциала между объектом последующего удара молнии и заряженным облаком; вторая является крайне сильным вторичным разрядом, вызываемым первичным разрядом поблизости. В то время как разряды первой категории протекают по законам квазистационарных явлений, так что сила электрического тока м. б. подсчитана по сопротивлению, самоиндукции и емкости соответствующего пути, второй вид разрядов не поддается ни количественному расчету, ни даже предварительному определению места грозового удара. Поэтому во избежание второй категории разрядов необходимо всю крышу делать металлической или, по крайней мере, покрывать ее металлической сеткой (или ставить много громоотводов).

Природа грозовых разрядов, являющихся частным случаем атмосферных разрядов, пока недостаточно изучена. Если изобразить разряд при помощи интеграла Фурье, то, вероятно, наиболее резко проявится та часть спектра частот, которая соответствует собственной частоте проводника, соединяющего поверхности разных потенциалов (облако и землю). Если доминирующая частота является функцией длины громоотвода (рассматриваемого как вертикальная заземленная антенна), то при обычных размерах громоотвода (l - порядка 15 м) имеем собственную длину волны его λ ≈ 4·l ≈ 60 м (см. Антенна) и, следовательно, частоту разряда 5000000 пер/сек. Если же принимать в расчет длину всего пути между облаком и землей, то, полагая ее, например, в 300 м, мы тем же методом получим частоту разряда только в 250000 пер/сек. Есть некоторые основания считать, что разряды первой категории являются сравнительно малочастотными, а второй категории - высокочастотными. Для уменьшения вероятности грозовых разрядов второй категории через здание, рекомендуется ставить на последнем не один, а несколько (до десятка) громоотводов, т. к. высокочастотный разряд через здание может возникнуть вблизи одиноко стоящего громоотвода, предохраняющего постройку вероятнее всего от малочастотных грозовых разрядов.

Грубый подсчет порядка величин, получающихся при грозовых разрядах, дает следующие результаты. Если принять, что разряд происходит между облаком и землей, причем в этом процессе участвуют с той и другой стороны две поверхности по 9 м2 каждая, отделенные расстоянием в 300 м, то емкость такого конденсатора будет С = 0,000027 мкF; если принять напряженность поля для получения разряда в воздухе 30 kV/см, то должна существовать перед самым разрядом разность потенциалов между облаком и землей в 912000 kV. Энергия, освобождающаяся при разряде, равняется 11200 kW/cек, что соответствует энергии почти 0,5 кг динамита. Эта энергия расходуется в виде тепла и электрического излучения. При этом, чем выше частота разряда, тем большая часть энергии превращается в форму излученной в виде электромагнитного возмущения; например, при малых медных громоотводах, при разряде с частотой порядка 1000000 пер/сек., количество излученной энергии примерно в 50 раз более того количества, которое превратилось в тепловую форму в громоотводе. В зависимости от частоты разряда получим то или иное значение силы тока: при f = 100000 пер/сек., I = 15000 А, при f = 5000000 пер/сек., I = 570000 А.

При установке громоотвода особенное внимание надо обращать на постоянную надежность безусловно хорошего контакта в заземляющих проводах. В случае отсутствия такового легко может оказаться, что такой плохой громоотвод явится «громоприводом»: в самом деле, если вследствие недосмотра сопротивление громоотвода возрастет до нескольких сотен Ом, то при обычном сопротивлении громоотвода току высокой частоты (в зависимости от ее величины), равном 30—75 Ом, это сопротивление дефектного громоотвода будет таким, что грозовой разряд, «притянутый» громоотводом, ударит в здание, находя для себя путь наименьшего сопротивления.

Технические требования при установке и эксплуатации громоотвода, в основном, следующие: 1) громоотвод должен иметь хорошие соединения во всех трех своих основных частях и между ними, 2) громоотвод должен быть очень хорошо заземлен, 3) громоотвод должен быть механически защищен от поломки. При проводке его по зданию лучше держать громоотвод вдали от стен (иногда даже изолируют) и вести его возможно дальше от газо- и водопроводов, балконов и т. п. Материал и конструкция громоотвода не играют существенной роли, лишь бы были выполнены основные требования (см. выше).

Громоотвод судовой. На судах, имеющих радиоустановку, устройства особого громоотвода не требуется, т. к. его функции выполняет антенна. При вводе таких судов в док пользование радиоустановкой не разрешается, и антенна надежно заземляется соединением с доковым трубопроводом или водой. На судах, не имеющих радиоустановок, в особенности находящихся в плавании в открытом море, именно - на деревянных стеньгах всех металлических мачт и стеньгах всех деревянных мачт, установка громоотводов обязательна, независимо от материала корпуса судна, равно как и на стеньгах всех металлических мачт деревянных судов. На стальных и железных судах с металлическими мачтами и стеньгами до ноков специальные громоотводные устройства излишни.

Громоотвод судовой состоит из острия или рогатки красной меди, укрепленных на клотике мачты и соединенных с лентой из того же материала с сечением не менее 100 мм2, которая крепится заершенными медными гвоздями вдоль стеньги или мачты. На судах с деревянными стеньгами и металлическими мачтами эта полоса доходит до штага, на котором укрепляется медный трос диаметром не менее 12 мм, прочно соединенный и спаянный с лентой. Этот трос соединяется с металлической обшивкой судна. На судах с деревянными мачтами медная лента устанавливается непрерывно до степса мачты и там соединяется с металлической обшивкой судна надежным проводником. На деревянных судах применение медного троса следует избегать, так как под действием электрических разрядов его структура изменяется, проволоки становятся хрупкими и контакт - ненадежным. Поэтому на деревянных судах применяют медную ленту, соединяемую с металлической луженой пластинкой площадью не менее 0,2 м2, укрепленной на корпусе судна ниже ватерлинии при наименьшем углублении судна. Если стеньги устроены подъемными, то для обеспечения надежного электрического контакта лента на мачте заканчивается медной накладкой, на которой укрепляется (фиг. 3) вращающаяся медная наметка (а), откидывающаяся при опускании стеньги и соединяемая с лентой на стеньге (b) при подъеме последней.

Если стеньги устроены подъемными, то для обеспечения надежного электрического контакта лента на мачте заканчивается медной накладкой

В целях достижения требуемого контакта наметка прижимается пружиной (с) и периодически осматривается и очищается. Все части громоотвода от клотика до поверхности воды должны иметь надежные проводящие соединения между собой.

Громоотводы в установках слабого тока. Появление в линиях слабого тока постороннего напряжения представляет один из видов опасности для приборов и проводов слабого тока. Источником возникновения подобного напряжения являются: 1) внезапные атмосферные разряды, 2) медленное накопление атмосферного электричества в линии, 3) влияние линий сильного тока, расположенных вблизи, 4) прямое соприкосновение с линиями сильного тока. Чрезмерно высокие посторонние напряжения в линии слабого тока могут вызвать: 1) разрушения аппаратов; 2) причинение вреда лицам, обслуживающим аппараты, или лицам, пользующимся ими; 3) разрушение проводов и кабельных жил, нарушение изоляции кабелей; 4)   пожары от образования искры. Присоединенные к линии телеграфные и телефонные аппараты и сигнализационные устройства требуют защиты от опасных напряжений, возникающих в линиях вследствие вышеуказанных причин. Степень безопасности установки слабого тока определяется наличием в ней предохранителей. Одни из них в первую очередь должны отводить в землю напряжения, опасные как для людей, так и для установки. Предохранители этого рода и называются громоотводами, или предохранителями от перенапряжений, т. к. благодаря им можно отвести в землю не только атмосферные разряды, но и высокое напряжение, индуктируемое высоковольтными линиями.

Громоотвод в технике сильных токов, прежнее, но еще сохранившееся наименование разрядников от перенапряжения.

Громоотводом в радиотехнике является почти всегда антенна. Во избежание сильных разрядных токов, влекущих за собой разрушение радиоприборов, при приближении грозы радиостанция отключается от антенны, и последняя заземляется с помощью грозового переключателя, превращаясь в хороший громоотвод.

Источник: Мартенс. Техническая энциклопедия. Том 6 - 1929 г.