Осигурихте ли защита на вашата сграда срещу мълнии?

България е страна с висока гръмотевична активност. Мълнията е високочестотно явление, което предизвиква пикове в напрежението по всички проводими елементи и особено по електрически товари и проводници. Какви средства са необходими за пълната защита на офиса или дома, когато се разрази гръмотевична буря? Малко хора са наясно, че монтирането само на един мълниеотвод на покрива не е гаранция за цялостна защита.

Същност и риск от мълнии
Между 2 000 и 5 000 гръмотевични бури се образуват постоянно около Земята. Те са особено разпространени през пролетно-летния период, съпроводени не само с проливни дъждове и ураганни ветрове, но и мълнии. Тези мълнии представляват сериозен риск за хората и оборудването в сградите. Могат да нанесат поражения на цялата електрическа инсталация и да причинят пожар. Интересен е фактът, че най-честите попадения на мълнии са върху високите земни обекти - дървета, сгради и високо разположени терени. За всичко това си има естествено обяснение. За да го разберем трябва да вникнем в същността на процеса на възникване на мълниеносни бури.
Мълнията е електрически искров разряд в газова среда, предизвикан от огромните разлики в електрическите потенциали между между високите слоеве на атмосферата и земната повърхност, проявяващ се като светкавица и гръм. Земята е отрицателно електрически заредена и наподобява огромен кондензатор. Същото количество, но с положителен заряд, съществува в атмосферата. Електрическото съпротивление на атмосферата е много голямо и постепенно спада при издигане, като на височина около 50 км то остава почти постоянно. Разликата в потенциалите между тази височина и земната повърхност е около 300 000 V. Ето защо гръмотевични бури се наблюдават най-често през летните месеци, когато процесът започва от издигането на горещия въздух от земята. Повдигайки се, той събира водни капчици и се превръща в облак. След това, тези водни капчици се разделят от много силно издигане и спадане на въздушни течения. Издигайки се капчиците се преобразуват в ледени кристали. Водата и ледените частици се удрят едни в други и по този начин създават положителни и отрицателни електрически заряди. По-нататък зарядите с противоположни знаци се разделят. Положителните заряди (образувани от ледени кристали) се издигат в по-високата част на облака докато отрицателните (образувани от водни капчици) падат в основата. Мълнията започва да се развива вътре в буреносния облак, който формира огромен кондензатор със земята. Половин час след първата мълния вътре в облака започва образуването на светкавици между облака и земята, наречени мълниеви удари. Появява се и дъжд. Това е фазата на т.нар. пълно развитие.

Отрицателните заряди от облака предизвикват положително зареждане на земната повърхност в този регион. Положителните заряди в земята следват преместването на облака като сянка и се концентрират във високите земни обекти - дървета, сгради и високо разположени терени в очакване да се установи електрическа връзка за изравняване на заряда между облака и земята.
Когато натрупаният заряд в основата на облака надхвърли определена граница, електрическата енергия се освобождава и преминава по въздуха до друга точка с негативен електрически заряд, например земната повърхност. Отрицателните заряди при движението си към земята оформят пътя, по който положителните заряди поемат нагоре и предизвикват силния блясък на светкавицата. В момента на проблясването въздухът се нажежава, достигайки температура до около 20 000 градуса и започва да се разширява много бързо. Внезапното силно нагряване на въздуха предизвиква ударна вълна, която чуваме като гръм. Гръмотевицата се движи със скоростта на звука и затова тя се чува известно време след светкавицата. Ако преброим секундите, изминали между блясъка на светкавицата и звука на гръмотевицата, може да определим на какво разстояние е възникнала светкавицата.
Постепенно облакът намалява своята активност, но това е съпроводено с проливен дъжд, суграшица и силен вятър.
Мълниите (според К. Бергер) се класифицират според начина, по който се развиват и положителната или отрицателната част на облака, която се разрежда - отрицателен низходящ удар, положителен възходящ удар, положителен низхдящ удар и отрицателен възходящ удар. Мълниевият удар от облака е най-обичаен върху равна земя. В планините или при наличието на големи изпъкнали обекти може да се развият възходящи мълнии, които са най-опасни (особено положителният тип). В Европа 90 % от мълниевите удари са от отрицателен низходящ тип.
Светкавица може да възникне по няколко начина: между различни точки вътре в облака, между облака и въздуха, между два облака и между облак и земната повърхност. Първите три начина не представляват директна опасност за хората на земята, но последният се случва много често и е опасен за живота на хората.

Интензитет на електрическото поле
При хубаво време, интензитетът на естественото електрическо поле на земята е приблизително 120 V/m. Когато се появи електрически зареден облак той може да се повиши до 15 кV/м от изпъкналости на географския релеф (хълмове, къщи, дървета). Това явление се нарича ефект на Корона и кара мълниевия удар да се появи на такива места. То е наблюдавано от дълбока древност върху края на копия или заострени предмети, при върха на корабни мачти.
50 % от мълниевите удари са със сила по-голяма от 33 kA, а 5 % са по-големи от 85 kA. Енергията, която се отделя към земята е много голяма. Мълниевият ток е високочестотен, импулсен и достига около 1 MHz.
Защо са опасни мълниите

Мълниите предизвикват редица неблагоприятни ефекти:
" Топлинни - разтопяване при точките на удар на мълнията и ефект на Джаул, което причинява пожари;
" Електродинамични - когато мълниевите токове циркулират в паралелни проводници те предизвикват сили на привличане или на отблъскване между проводниците, което причинява скъсване или механични деформации;
" Взривен ефект - мълнията може да причини разширяването на въздуха и да създаде свръхналягане, което се разпростира на разстояние от около 12 км. Взривният ефект чупи прозорци или части, може да запрати хора, животни, предмети на няколко метра.
" Пикове в напрежението след удар по надземните електрически или телефонни линии;
" Нарастване на земния потенциал от циркулацията на мълниевия ток в земята и др.

Пикове в напрежението
Пик в напрежението е напрежениев импулс или вълна, която се наслагва върху номиналното мрежово напрежение. Съществуват 4 типа, които могат да повредят електрическите инсталации:
" Атмосферни напреженови пикове - причиняват се от мълниев удар, падащ върху или близо до надземната силова линия (електрическа или телефонна), а гененрираните токови импулси се разпространяват веднага към сградата. Атмосферните пикове могат да бъдат също индуцирани или излъчени. Един индиректен мълниев удар (който пада някъде на земята) е еквивалентен на много дълга антена, която излъчва електромагнитно поле. Директният и индиректният мълниев удар могат да имат разрушителни последици върху електрически инсталации, които са на няколко километра от мястото на падане.
" Пикове в работното напрежение - внезапната промяна в установените работни условия в една електрическа мрежа причинява възникването на преходни явления. Обикновено те са високочестотни вълни и причиняват значителни повреди. Могат да бъдат причинени от комутационни устройства, заради изключването на защитните устройства и включването или изключването на устройства за управление; напреженови пикове от индуктивни вериги; напреженови пикове от капацитивни вериги и др.
" Преходни пикове в напрежението на промишлена честота - имат същите честоти като мрежата. Най-често са причинени от прекъсване на нулевия проводник или кабелна повреда.
" Пикове в напрежението, причинени от електрически разряд - в суха среда електрическите заряди натрупват и създават много силно електростатично поле.

Устройства за защита от пренапрежение
Специалистите са категорични, че изграждането на система за мълниезащита трябва задължително да включва както външна, така вътрешна инсталация, които гарантират пълната защита на сградата или съоръжението. Външната (първична) защита - това е защита от директни удари на мълнии. Вътрешната (вторична) мълниезащита от директни и индиректни пренапрежения - комутационни и атмосферни.
Първичните защитни устройства защитават инсталациите срещу директен мълниев удар като улавят и отвеждат мълниевия ток в земята, където се извършва електрическото разтоварване. Съществуват 3 типа първична защита:
" Мълниеотводи (мълниеприемник) - заострен прът, поставен на върха на сградата, който се заземява чрез един или повече проводника (медни ленти) с V-образни разклонения. Потокът на мълниевия ток към земята индуцира пикове в напрежението чрез електромагнитно излъчване в електрическата инсталация на защитената сграда. Mълниеприемникът трябва да защитава отделните части на обекта, които са изложени на опасност от удар на мълния - ъглите на покрива и сградата, комините, водосточните и вентилационните тръби и т.н.
" Опънати проводници - разпънати са над структурата, която трябва да бъде защитена. Използват се за специални структури, военни приложения и проводници за мълниезащита на надземни, високоволтови, силови линии.
" Мрежов кафез или кафез на Фарадей - използва се за много чувствителни сгради, помещаващи компютърно оборудване или оборудване за производство на интегрални схеми. Състои се от симетрично умножаване на броя на слизащите ленти извън сградата, които се заземяват с разклонени заземителни връзки.

Първичните защитни устройства не предотвратяват появата на разрушителни вторични ефекти върху оборудването като повишения в земния потенциал и електромагнитната индукция, породени от токове, влизащи в земята. За да се намалят вторичните ефекти е необходимо да се добавят катодни отводители на телефонните и електрическите силови мрежи.
Вторичните защитни устройства са предназначени за защита от атмосферните влияния, пикове в работното напрежение или в напрежението с промишлена честота. Класифицират се според начина им на свързване в инсталацията - последователно или паралелно защитно устройство. Последователната защита е свързана последователно за проводниците на захранващия източник на системата, която трябва да бъде защитена. Такива устройства са трансформатори, филтри, вълнови абсорбери, UPS, които са със специфично приложение и трябва да бъдат оразмерени в съответствие с номиналната мощност на защитената инсталация. При повече се изисква допълнителна защита с катоден отводител.

Паралелната защита е най-често използвана и включва използването на апарати като катодни отводители (много и различни устройства), инсталирани в електрическото табло и осигуряващи защита на близкостоящи консуматори и слаботокови катодни отводители, също инсталирани в електрическите табла за защита на телефонни или компютърни мрежи срещу пренапреженови пикове от външната среда (мълнии), както и от смущения на оборудването, превключване на комутационна апаратура и др.
Катодни отводители - стандарти, термини, определения
Надеждна защита срещу пренапрежения са катодните отводители. Те се монтират на входа на таблото и отвеждат вълната на пренапрежение към земята, като по този начин тя не достига до консуматорите. Препоръчително е монтажът на катодния отводител да се извърши след главният предпазител в таблото, като по този начин се предпазват електроуредите от пренапрежения, а при нужда лесно може да бъде заменен дефектирал катоден отводител, тъй като е наличен разединител на захранващото напрежение преди него.
Стандартът IEC61643-11, на който трябва да съответстват катодните отводители, определя изискванията към тях, техните параметри и задава методите на изпитване. Той задава стандартни вълни на пренапрежение, спрямо които се определят параметрите на катодните отводители.

Катодните отводители се делят на Тип 1 и Тип 2 в съответствие със стандартите EN 61643-1 EN 61642-11. Тип 1 са предназначени за защита срещу директни попадения на мълниите. Препоръчително е да се използват, когато сградата е защитена с мълниеотводен прът. Тип 2 са предназначени за защита срещу индиректни пренапрежения от атмосферен характер и се използват се за защита на електрооборудването от индуцирани или постъпили пренапрежения по захранващата линия.
Един от най-важните параметри, определящи качеството на защита е нивото на защита Up (kV). То показва до каква стойност се ограничава пренапрежението след катодния отводител, в момент на сработване. При избора на катоден отводител трябва да се вземе предвид типа апаратура, която се защитава и условието Up (kV) Катодният отводител трябва да може да отвежда силни токове в земята и да има ниско ниво на защита. Понякога тези условия не могат да се изпълнят от единичен катоден отводител и затова се използва втори, т.нар. каскадна защита. При тази система трябва да има минимално разстояние от 10 м между двете защитни устройства. В определени случаи е възможно да се поставят няколко катодни отводителя в каскадната конфигурация. С един катоден отводител се осигуряват вътрешна защита против стареене, външна защита срещу токове на късо съединение и защита срещу индиректен допир.

Основните компоненти на катодните отводители са:
" Ценерови диоди - характеристична крива, която наподобява идеалната крива, времето за реакция е много бързо. Катодни отоводители с двупосочен ценеров диод се използват като крайни защитни устройства в инсталацията, но никога за цялостна защита, заради маломощната им отводителна способност;
" Газоразрядна тръба - представлява колба, напълнена с газ, съдържаща два електрода. Притежава голям капацитет на разсейване на енергията и ток на утечка, който е незначителен във времето, като по този начин намалява стареенето при прегряване. Недостатъците на този компонент са дълго време на реакция, свързано с вълновия фронт на напреженовия пик и максималното напрежение, което следва да бъде достигнато;
" Варистор (в цинков оксид) - неговата характеристична крива е подобна на идеалната, времето за реакция е малко, разсеяната енергия е голяма, а задържащият ток е нула. Катодни отоводители с варисатори са най-доброто решение по отношение качество/цена, заради тяхната простота и надеждност.
Всеки катоден отводител трябва да се инстарила със съответен прекъсвач. При инсталирането на катодните отводители трябва да се имат предвид каскадното изпълнение помежду им, разполагането на защитните им прекъсвачи, мястото им спрямо дефектнотоковите защити и системата за заземяване. Съществуват три системи за заземяване, които обаче дават еднаква степен на сигурност, ако се спазват правилата за инсталация и работа. Системата за заземяване се избира в съответствие с действащите стандарти и изисквания на разпределителните дружества, както и с избора на потребителя, когато той се захранва със собствен трансформатор и собствено захранване.
Изборът на катоден отводител зависи от типа на сградата, мястото й и защитаваната апаратура. Важен показател е наличието или не на гръмоотвод, като за всеки случай се предлага специфична инсталация на катодни отводители.
Катодният отводител трябва да бъде сменен, когато индикаторът на предния панел показва, че е устройството е остаряло и когато автоматичният прекъсвач се изключва (което показва, че катодният отводител е накъсо съединен).

Още няколко думи
Мълнията или светкавицата може да порази едно място неведнъж. Тя може да се появи дори и при липса на дъжд, на разстояние около 15 км извън дъждовния облак. Разходите за ремонт на щетите, причинени от мълнии са много големи. Трудно е да се оценят последствията от смущение, причинено на компютърни или телекомуникационни мрежи, аварии в PLC управлявани системи и аварии в регулационни системи. Затова мълниезащита вече не е лукс, а необходимо средство за гарантиране на цялостната безопасност на сградата и живота на хората.