Как известно, грома без молнии не бывает, а молния – самый что ни на есть обычный самостоятельный искровой электрический разряд, возникающий при повышении напряжения между электродами в газовой среде, имеющий очень большую мощность. Поэтому разговор об электричестве вообще без упоминания о грозе будет неполным.

Одиночные грозовые тучи могут нести заряды различных знаков, поэтому при сближении разноименно заряженных туч между ними возникает электрический разряд – молния. Некоторые тучи могут нести одновременно положительные и отрицательные заряды. Положительные заряды обычно концентрируются в нижней части тучи, где сосредотачиваются более крупные капли влаги. Такие тучи в результате электростатической индукции наводят потенциалы на поверхность земли и на наземные предметы. В результате туча и поверхность земли образуют как бы две обкладки гигантского конденсатора с диэлектриком – воздушными массами между ними. По мере того как напряженность электрического поля заряженной тучи достигает критической величины, по направлению к земле начинает расти слабо светящийся канал (движение электронов), получивший название лидера. После прохождения лидером части воздушного пространства наступает пауза, в течение которой увеличивается накопление электрических зарядов, и только после этого продвижение лидера к земле возобновляется, затем опять пауза и т. д. Как только лидер достигает поверхности земли или возвышающихся над землей предметов, возникает электрический разряд.

Причем разряд от человека не зависящий и человеком не управляемый, это не искусственный молниевый разряд, созданный в лабораторных условиях для изучения этого природного явления, да и там от молнии можно ждать любых неожиданностей.

Напряжение между облаками и землей может составлять 100 000 000 В, сила тока в момент грозового разряда достигает 500 000 А, время действия – 10-6 с – эти данные определены экспериментально.

Ничего сверхсекретного в молнии нет. Однако знания, полученные в процессе исследований этого явления, ничуть не уменьшили опасность грозового разряда для человеческой жизни, зато помогли научить человека защищаться от него.

Первое устройство, защищающее строения от удара молнии, – громоотвод был сконструирован еще в середине XVIII века профессором Петербургского университета Георгом Рихманом. При испытании этого устройства сам конструктор погиб, однако принципы, заложенные им в конструкцию громоотвода, не только не забыты, но и служат людям многие годы, ежегодно спасая от гибели не одну тысячу людей. Все гениальное просто: ученый заземлил молнию, показав ей наиболее короткий и самый легкий путь в землю – по металлическому стержню.

Подавляющее большинство молний (около 95 %) имеют отрицательную полярность. Во время грозы у поверхности земли возникает сильное электрическое поле, напряженность которого особенно велика на концах остроконечных объектов. Во время грозы на таких шпилях возникает видимое свечение.

Разряды молнии положительной полярности отмечаются редко. Они характеризуются очень большой силой тока – до 200 000 А. Длина пути линейной молнии может достигать нескольких километров.

Кроме линейной, в природе возникает шаровая молния, представляющая собой огненный шар диаметром 10–30 см, медленно перемещающийся в воздухе (со скоростью около 2 м/с) по направлению ветра. Движение молнии сопровождается свистящим или шипящим звуком. Шаровая молния может существовать от нескольких секунд до 4 минут. Обычно исчезает шаровая молния бесшумно, но иногда может произойти и взрыв. Шаровая молния проникает в помещение через открытые окна, форточки, двери, дымоходы печей и даже через щели. При соприкосновении с человеком она вызывает сильные ожоги, часто ведущие к смерти. При взрыве шаровой молнии выделяется большое количество тепла, что часто приводит к пожарам.

Молниеотводы, применяемые для защиты зданий и сооружений от прямых ударов линейной молнии, против шаровой молнии неэффективны. Для предотвращения проникновения шаровой молнии в помещения во время грозы следует хорошо закрывать окна, двери, дымоходы, а вентиляционные отверстия должны быть снабжены металлической сеткой с ячейками 3–4 см². Такую сетку делают из медной или стальной круглой проволоки диаметром 2–2,5 мм и надежно заземляют.

Молния чаще всего ударяет в места выхода на поверхность грунтовых вод, стыка пород земли разной удельной электрической проводимости, выхлопа газов и выхода дыма из труб (из-за повышенной ионизации воздуха), а также в наиболее возвышающиеся над землей части зданий и сооружений. Ударяет молния и в места с большим удельным электрическим сопротивлением, например, в землю, где проложены металлические трубопроводы или кабели, где имеются включения грунта, хорошо проводящего электрический ток (например, глины).

Молниезащита от прямых ударов молнии – комплекс защитных устройств, предназначенных для обеспечения безопасности людей, сохранности зданий и сооружений от возможных взрывов, загораний и разрушений, возникающих при воздействии молнии.

Устройство, воспринимающее прямой удар молнии и отводящее ток молнии к земле, получило название молниеотвода. Молниеотвод представляет собой возвышающееся над защищаемым объектом металлическое устройство. Он состоит из молниеприемника, несущей конструкции, токоотвода и заземлителей.

Зона защиты молниеотвода – это часть пространства, внутри которого здание или сооружение защищено от прямых ударов молнии с определенной степенью надежности.

Наименьшей и постоянной по величине степенью надежности обладает поверхность, образующая границу зоны защиты. При продвижении внутрь зоны защиты надежность защиты увеличивается. Различают два типа зоны защиты. Зона защиты типа А имеет степень надежности 99,5 % и выше, то есть вероятность поражения для этой зоны составляет 0,5 % и менее. Зона защиты типа Б имеет степень надежности 95 % и выше. Здесь вероятность поражения может составлять 5 % и менее.

Зона защиты одиночного стержневого молниеотвода высотой до 150 м включительно имеет вид кругового конуса (рис. 82).

Рис. 82. Зона защиты одиночного стержневого молниеотвода: 1 – граница зоны защиты молниеотвода; 2 – молниеотвод; 3 – зона защиты на уровне высоты hx защищаемого объекта; 4 – граница зоны защиты на уровне земли.

Вершина конуса, в зависимости от типа зоны защиты, определяется высотой h0. На уровне земли зона защиты образуется кругом радиусом R0. В горизонтальном сечении зона защиты на высоте защищаемого объекта hx определяется радиусом защиты Rx, проведенным от молниеотвода до границы зоны защиты параллельно поверхности земли.

В зоне защиты типа А параметры h₀, R₀, R_x определяются следующим образом:

В зоне защиты Б:

При известных значениях h_x и R_x необходимая высота молниеотвода h для зоны защиты типа Б определяется по формуле

При среднегрозовой деятельности более 20 часов в год (в средней полосе России она колеблется от 20 до 80 часов) необходимо устраивать молниезащиту (громоотвод). Сделать это несложно после ознакомления с системой расчетов.

Система молниезащиты состоит из трех элементов – приемника молний, проводника тока и заземлителя (рис. 83).

Рис. 83. Простейший громоотвод: а – общий вид; б – варианты устройства заземлителей «птичья лапа» и «треугольник»: 1 – молниеприемник; 2 – токоотвод; 3 – заземлитель.

Молниеприемник воспринимает прямой удар молнии и должен выдерживать большие тепловые и динамические нагрузки, чтобы устоять и не расплавиться. Для его изготовления используют полосовую и круглую сталь с наименьшим сечением 60 мм² при длине не менее 20 см. Место размещения молниеприемника – самая высокая точка крыши, положение – строго вертикальное.

На рис. 84 показано, как конкретно устроить молниезащиту небольшого дома. Токоотвод изготавливают из оцинкованной круглой стальной проволоки диаметром не менее 5–6 мм.

К молниеприемнику его присоединяют сваркой, пайкой или болтовыми соединениями, при этом площадь контакта должна быть в 2 раза больше площади сечения стыкуемых деталей. Токоотвод прокладывают кратчайшим путем в местах наиболее вероятного удара молнии (по конькам крыш, по выступам и краям фронтонов), его крепление осуществляют хомутами, скобами, гвоздями. Если крыша строения изготовлена из легковозгораемого материала, то трасса токоотвода должна отстоять от нее минимум на 15–20 см.

Рис. 84. Молниезащита небольших домов стержневыми и тросовым молниеотводами: а – установленными на крыше; б – крепление молниеприемника к дымовой трубе; 1 – молниеприемник тросовый; 2 – молниеприемники стержневые (вилка); 3 – планка деревянная; 4 – заземлители; 5 – токоотвод; 6 – скобы; 7 – проволока вязальная (оцинкованная) диаметром 3–5 мм.

Назначение заземлителя – отвод тока в грунт, поэтому электрическое сопротивление материала, из которого он изготовлен, должно иметь минимальное значение. Располагать заземлитель следует таким образом, чтобы расстояние от него до крыльца и пешеходных дорожек было не менее 5 м. Чтобы воспрепятствовать проходу людей и животных в месте расположения заземлителя (для их защиты от шагового напряжения, которое возникает в момент отвода молнии в землю), его обносят оградой радиусом не менее 4 м.

Глубина залегания и положение заземлителя в грунте зависят от типа почвы и уровня залегания подпочвенных вод в конкретной местности.

При сухом грунте и низком уровне подпочвенных вод заземлитель устраивают в виде двух стержней длиной 2–3 м, вбитых вертикально в землю и на глубине 0,5 м соединенных методом сварки перемычкой сечением 100 мм²; к середине перемычки приваривают токоотвод.

Влажный или торфяной грунт и уровень подпочвенных вод менее 1,5 м предполагает заземлитель из горизонтально расположенных в грунте металлических уголков, старых рессор и т. п. Глубина их заложения – не менее 0,8 м (чем больше длина токоотвода в земле, тем надежней будет молниезащита).

Установка молниезащиты на многоквартирных домах вменена в обязанности организациям, производящим строительство (а они перекладывает эту задачу на плечи подрядных организаций). В настоящее время громоотводы на каждом строящемся доме не устанавливают, если хоть один стоит на крыше высотного дома, защищая от удара молнии большую площадь. Поэтому застройщики вначале сверяют параметры строящегося здания со схемой защитной зоны уже установленных громоотводов, в том случае, если новостройка в эту зону не попадает, устанавливают громоотвод.

О молниезащите частного дома придется позаботиться хозяину.

По существующим в России нормам на жилые дома высотой до 30 метров не распространяются требования обязательной установки молниезащитных устройств. Ну а если закон этого не требует, то к чему лишние расходы? И вот с первыми весенними грозами начинают полыхать городские дома и загородные коттеджи, хозяева которых не позаботились об их безопасности.

Конечно же, от грозового разряда загораются не все дома, не оборудованные молниезащитой, и даже не каждый второй. Например, если дом находится в низине, или рядом имеются более высокие здания, или сосед устроил такую мощную молниезащиту, которая распространила зону своего действия на строения, находящиеся на соседних участках, то можно не беспокоиться.

Если же ни одно из этих условий не соблюдено, то следует все-таки устроить защиту от грозового разряда. Особенно если крыша дома покрыта металлической кровлей или металлочерепицей. Дело в том, что укладывается этот кровельный материал либо на рубероид или толь, либо прямо на деревянную обрешетку; оба этих материала основания кровли относятся к диэлектрикам; следовательно, кровля оказывается полностью изолированной от земли. В металле кровли может накапливаться (а во время грозы обязательно) наведенное атмосферное электричество. Когда электрический потенциал достигает определенного уровня, ему необходимо разрядиться. Человеческое тело представляет собой великолепное разрядное устройство. Разряд же может достигать десятков тысяч вольт; если при этом и сила тока значительная, то прикосновение человека к наэлектризованной крыше может закончиться смертельным исходом или (в лучшем случае) потерей сознания.

К тому же разряд происходит в виде искры, которая способна поджечь как рубероид, так и дерево.

Настоящий хозяин дома (рачительный, надежный, заботливый) обязательно позаботится о своем доме, о себе и своих близких, защитив свой дом от возможных неприятностей в виде пожара или поражения электрическим током во время грозы.

В качестве молниеотводов для защиты отдельных зданий от прямых ударов молнии могут быть использованы деревья. Это возможно, если дерево выше дома вместе с антенной в 2–2,5 раза. Дерево должно отстоять от дома не менее чем на 3–10 м (рис. 85).

Рис. 85. Молниезащита небольших домов с использованием дерева в качестве несущей конструкции: 1 – молниеприемник; 2 – токоотвод; 3 – заземлитель; 4 – граница зоны защиты молниеотвода; Rx – радиус защиты на высоте hx.

На его верхушке закрепляют один конец цельного куска проволоки диаметром не менее 5 мм, а второй конец спускают на землю, закапывают в грунт и приваривают к заземлителю.

Если дом расположен на участке, где поблизости нет высоких деревьев, то можно либо установить два громоотвода по концам конька крыши, либо для устройства молниезащиты установить мачту, на которой закреплен молниеприемник.

Значительно проще устроить молниезащиту строений с металлической кровлей. В этом случае роль молниеприемника будет играть сама крыша, которую следует заземлить по периметру через каждые 20–25 метров. Если у дома имеются металлические желоба и стоки для дождевой воды, то их можно использовать в качестве токоотвода; а вот заземлитель придется все-таки соорудить. Стоит только запомнить, что сопротивление заземлителя не должно превышать 10 Ом.

Как и любая другая установка, связанная с электричеством, молниезащита требует периодической проверки надежности соединений. Если, например, в электропроводке или электроприборах о неисправности соединений подскажет отказ в работе, то указать на неполадки в соединениях громоотвода сможет только пожар, возникший по причине грозового разряда. Дожидаться этого, конечно же, не стоит и следует самостоятельно производить регулярную проверку громоотвода.

Во время грозы каждый должен соблюдать меры предосторожности. Если гроза застала в поле, то нельзя бежать, а нужно присесть или лечь на землю или в небольшое углубление на склоне холма.

При нахождении во время грозы в лесу не следует укрываться под высокими деревьями, нужно встать посередине между двумя деревьями, расположенными друг от друга на расстоянии 15–20 м. В руках не должны находиться металлические предметы (лопаты, ломы, пилы и т. п.).

При движении в автомашине в поле во время грозы следует остановиться, выйти из транспортного средства и отойти от него на расстояние 25–50 м.

Во время грозы, а также при ее приближении нужно закрыть в помещении все окна, двери, форточки, дымоходы и находиться от проводов внутренней сети, лампочек, выключателей, штепсельных розеток на расстоянии не ближе чем 0,5 м.

Вилки электроприемников должны быть вынуты из штепсельных розеток.

Защита от заноса высоких потенциалов в здания и сооружения по ВЛ напряжением до 1000 В осуществляется следующим образом. Для защиты людей, находящихся в помещениях, от грозовых разрядов в местностях с одноэтажными застройками вблизи ВЛ, не экранированных высокими зданиями, промышленными трубами, высокими деревьями и т. п., необходимо создавать грозозащитные заземляющие устройства. К ним должны быть присоединены штыри и крючья изоляторов опоры ВЛ, на которых выполняется заземление, а также нулевой провод сети.

В зависимости от интенсивности грозовой деятельности принимаются следующие расстояния между смежными грозозащитными заземлениями: 200 м – для районов со средней грозовой деятельностью (от 10 до 40 часов в год), 100 м – для районов с повышенной грозовой деятельностью (более 40 часов в год).

Сопротивление грозозащитного заземления растеканию тока промышленной частоты не должно превышать 30 Ом.