Рис. 7.13.
Рассмотрим случай, когда молния ударяет в почву без специального заземления. Ток молнии будет уходить в грунт. Но сопротивление последнего велико: сотни… тысячи ом. На таком сопротивлении ток молнии в сотни килоампер по закону Ома даст напряжение в десятки мегавольт в точке удара.
И это напряжение окажется приложенным к большому (десятки…сотни метров) участку почвы вокруг точки удара. Ведь на сильно удаленной от точки удара почве по-прежнему останется нулевое напряжение. Фактически получается огромный полусферический резистор радиусом десятки … сотни метров. Его внешняя поверхность заземлена (сильно удаленная почва), а в центр подано импульсное напряжение десятки мегавольт (в точке удара).
Теоретически для равномерной полусферы напряженность электрического поля вдоль поверхности этого резистора (т.е. на поверхности земли) будет равна:
Где:
E – напряженность электрического поля, В/м,
ρ – удельное сопротивление грунта, Ом•м,
IМ – пиковый ток молнии, А,
r – расстояние от точки удара, м.
При более точном моделировании, учитывающем неодинаковое растекании тока в стороны и в глубину, напряженность поля на поверхности падает медленнее, чем описывает формула 7.1. Пропорционально не квадрату расстояния, а его 1,3 … 1,5 степени.
Как следует из формулы 7.2 напряженность электрического поля при мощном разряде в сотни килоампер и плохой почве может составлять несколько сотен кВ/м при расстояниях несколько метров. При напряженностях выше 300 кВ/м начинается ионизация почвы и возникает скользящий вдоль земли разряд. Высокая проводимость ионизированного канала разряда приводит к тому, что по нему высокое напряжение выносится еще дальше и скользящий разряд может проходить до нескольких десятков метров.
Если молния небольшая, то скользящий разряд выжигает проплешины в растительности (рис. 7.13).
При сильном скользящем разряде влага в почве под ним превращается в пар, который вырываясь наверх, выбрасывает куски земли, образуя канаву с валом земли. Обычно её ширина невелика (примерно как след плуга), но при мощных ударах может быть что-то вроде показанного на рис. 7.14.
Коварство скользящего разряда в том, что он может проникать снизу в зону защищенную молниеотводами. В самом деле, удар молнии может быть за пределами нашей зоны защиты. Но скользящий разряд от этого удара, пройдя несколько десятков метров вдоль земли, может попасть в нашу зону и, например, повредить в ней подземные кабели.
Рассмотрим теперь, что будет на поверхности земли при ударе молнии в наш молниеотвод и уходе тока молнии в грунт по нашему заземлению. Пусть оно имеет предписанное нормативами сопротивление 10 Ом. При ударе молнии с пиковым током 100 кА на заземлении 10 Ом выделится напряжение 100 кА•10 Ом = 1 МВ. Потенциал нашей заземляющей системы и всех присоединенных к ней устройств подпрыгнет до 1 МВ, относительно удаленной земли, которая об ударе молнии ничего не знает и имеет нулевой потенциал.
Эта типичная ситуация, показанная на рис. 7.15. На крыше дома молниезащитная сетка, в качестве заземления используется арматура бетонного фундамента. Распределение напряжения вдоль поверхности земли показано в нижней части рис. 7.15. Шаговое напряжение нормируется на длине 1 м. Согласно стандарту IEC 60479 импульсное шаговое напряжение от разряда молнии до 25 кВ не причиняет вреда здоровью человека (насчет неприятных ощущений стандарт ничего не говорит).
Из графика распределения напряжений рис. 7.15 видно, что максимальное шаговое напряжение (т.е. скорость изменения графика) получается вблизи заземления. А это плохо. Мы ведь считаем, что находимся в зоне, защищенной правильными устройствами: сеткой на крыше, токоотводами и хорошим заземлением. А при прогулке вокруг заземления во время грозы можем получить шаговый удар выше допустимого безопасного уровня.
Как это предотвратить? Причиной шагового напряжения (кроме удара молнии) является удельное сопротивление почвы. Следовательно, его надо снизить. Наиболее разумным способом для этого является укладка в землю (на глубину 0,5 … 1 м) проводников, параллельных заземлению: кольцевых, если заземление штыревое, или параллельных, если заземлением является горизонтальный провод или фундамент. Такие проводники называются уравнивающими поясами и соединяются с основным заземлением несколькими проводами.
Стандарт IEC 62305 рекомендует в зависимости от уровня защиты расстояние между соседними уравнивающими поясами: I – 5 м, II – 10 м, III - 15 м, IV – 20 м. Такое же расстояние между соседними проводниками, которыми данный уравнивающий пояс соединяется с основным заземлением.
Проще говоря, если заземление у нас горизонтальное или фундамент, то уравнивающие пояса и соединительные с заземлением провода образуют подземную сетку с квадратными ячейками 5 м. А если заземление стержневое, то уравнивающие пояса это концентрические круги, а соединительные с заземлением провода это радиусы.
На рис. 7.16 показано влияние одного уравнивающего пояса, установленного параллельно стене фундамента (сам уравнивающий пояс на рис. 7.16 почти не виден, т.к. он идет параллельно стене и на разрезе рис. 7.16 от него видна только точка в конце провода, соединяющего уравнивающий пояс с заземлением). Видно, что между фундаментом и уравнивающим поясом напряжение меняется намного медленнее, чем на рис. 7.15. Это произошло из-за снижения сопротивления грунта, вследствие того, что мы закопали в него проводники. По сути, мы сделали то же самое, что всегда делается для вертикальных антенн, стоящих прямо на земле: для понижения её сопротивления в неё укладывают провода.
Шаговое напряжение вблизи заземление намного снизилось. К человеку 2 на рис. 7.16, стоящему около фундамента, приложится меньшее шаговое напряжение, чем к человеку 1, стоящему в отдалении, но за пределами уравнивающего пояса.
Рисунки 7.15, 7.16 и стандарт IEC 62305 поясняют принцип и дают общие рекомендации. Но для выполнения практической конструкции надо знать, сколько уравнивающих поясов достаточно для данной проводимости почвы и видеть их влияние в цифрах. Это было изучено в работе [16], где моделировалось шаговое напряжение вокруг заземления с сопротивлением 10 Ом, при ударе молнии с пиковым током 100 кА. 3D модель, рассчитанная методом моментов учитывала влияние поземных уравнивающих поясов, эффект ионизации почвы при высокой напряженности электрического поля и шунтирующее действие сопротивления человека.
На последнем надо остановиться подробнее. Большинство работ по расчету шагового напряжения не учитывают шунтирующего действия сопротивления человека, и поэтому приходят к ошибочным выводам, завышая шаговое напряжение. В реальности же, земля, вдоль которой происходит падение напряжения, имеет довольно высокое сопротивление. Она эквивалентна источнику напряжения с высоким внутренним сопротивлением. При подключении к такому источнику относительно небольшого (~1 кОм) сопротивления между ногами человека, приводит к шунтированию источника и соответствующему понижению напряжения.
На рис. 7.17. показаны графики, рассчитанные для молнии с пиковым током 100 кА, ударяющей в заземление с сопротивлением 10 Ом, в грунте с удельным сопротивлением 1000 Ом•м для трех случаев:
без уравнивающих поясов.
Один уравнивающий пояс на расстоянии 3 м.
Два уравнивающих пояса: на расстояниях 3 и 6 м от заземления.
Из рис. 7.17 видно, что без уравнивающих поясов на плохой земле ближе 5 м к заземлению можно получить удар шаговым напряжением, который причинит вред здоровью. Один уравнивающий пояс на расстоянии 3 м резко снижает шаговое напряжение на первых 4 м, но зато повышает его (из-за перераспределения, вызванного неравномерностью сопротивления грунта) на участке от 5 до 8 м. То есть, такого одного пояса недостаточно. И только два уравнивающих пояса на расстоянии 3 и 6 м полностью решают проблему, снижая шаговое напряжение ниже 15 кВ во всём диапазоне расстояний.
Как пересчитать данные рис. 7.17 для других случаев?
Для другого пикового тока молнии вертикальная шкала умножается на отношение нужного нам тока к 100 кА (для которых рассчитан рис. 7.17). Например, при пиковом токе 200 кА двух уравнивающих поясов уже не хватит, т.к. на расстояниях от 7 до 11 м шаговое напряжение превысит разрешенные 25 кВ. И потребуется третий уравнивающий пояс на расстоянии 9 м.
Для другого удельного сопротивления почвы (рис. 7.17 рассчитан для ρ = 1000 Ом•м) также надо только изменить масштаб вертикальной шкалы напряжений. Но здесь уже масштабный коэффициент шкалы не равен отношению удельных сопротивлений. Дело в шунтирующем действии сопротивления человека. Оно мало при малых удельных сопротивлениях почвы, т.к. почва-источник получается относительно низкоомной и её трудно заметно зашунтировать. Напротив, при высоком удельном сопротивлении почвы, шунтирующее действие человека велико.
При ρ = 100 Ом•м вертикальную ось рис. 7.17 следует сжать в 4,4 раза. А при ρ = 200 Ом•м – 3,1 раза. Это значит, что при таких почвах уравнивающие пояса не нужны. Шаговое напряжение нигде не превысит 25 кВ при токе молнии в 100 кА. При ρ = 500 Ом•м вертикальную ось рис. 7.17 следует сжать в 1,75 раза. Один уравнивающий пояс необходим.
Если сопротивление заземления больше 10 Ом, для которых рассчитан рис. 7.17, то его вертикальную шкалу надо пропорционально увеличить (на большем сопротивлении выделяется больше напряжения). В пределе, когда заземление очень плохое или вовсе отсутствует, мы получаем случай, рассмотренный вначале этого параграфа про скользящий разряд. Но кроме этого, при ударе молнии в грунт без заземления в значительном радиусе возникает недопустимо большое шаговое напряжение.
Посмотрите, если на рис. 7.17 вертикальную шкалу растянуть в 6 раз (что соответствует сопротивлению заземления 60 Ом, а оно может быть у грунта и ощутимо выше), то предел в 25 кВ будет превышен даже на расстоянии 20 метров. А если еще увеличить шкалу вдвое (на ток молнии 200 кА), то получим, что опасное поражение шаговым напряжением при ударе молнии в грунт без заземления может быть на расстоянии до нескольких десятков метров.
Поэтому участки, на которых возможно нахождение людей во время грозы (тротуары, дорожки, площадки, стоянки и т.п.) надо защищать от шагового напряжения. Для этого под такие участки закладываются уравнивающие пояса или металлические сетки. Также желательно снизить удельное сопротивление поверхности грунта таких участков (например, бетонным покрытием).
Для того чтобы исключить возможность образования грозовой разности потенциалов между корпусами электроприборов в доме (аналог шагового напряжения, только внутри дома) заземлитель электроустановок должен быть совмещен с молниезащитным заземлением. Если эти заземления должны быть разделены по технологическим соображениям (например, отдельно стоящий молниеотвод со своим заземлением), их следует электрически объединить в общую систему с помощью проводников уравнивания потенциалов.