Можно сформулировать основную задачу. Это, во-первых, защитить сеть от грозы (в основном атмосферных электрических разрядов), во-вторых, сделать это, не принеся вреда существующей электрической разводке (и подключенным к ней потребителям). При этом часто приходится решать "сопутствующую" задачу приведения в нормальное состояние заземления и устройства выравнивания потенциалов в реальной распределительной сети.
Основные понятия
Если говорить о документах, то молниезащита должна соответствовать РД 34.21.122-87 "Инструкция по устройству молниезащиты зданий и сооружений" и ГОСТ Р 50571.18-2000, ГОСТ Р 50571.19-2000, ГОСТ Р 50571.20-2000.
Вот термины:
- Прямой удар молнии - непосредственный контакт канала молнии с зданием или сооружением, сопровождающийся протеканием через него тока молнии.
- Вторичное проявление молнии - наведение потенциалов на металлических элементах конструкции, оборудования, в незамкнутых металлических контурах, вызванное близкими разрядами молнии и создающее опасность искрения внутри защищаемого объекта.
- Занос высокого потенциала - перенесение в защищаемое здание или сооружение по протяженным металлическим коммуникациям (подземным и наземным трубопроводам, кабелям и т.п.) электрических потенциалов, возникающих при прямых и близких ударах молнии и создающих опасность искрения внутри защищаемого объекта.
От прямого удара молнии защититься сложно и дорого. Над каждым кабелем громоотвод не поставить (хотя можно полностью перейти на оптоволокно с неметаллическим несущим тросом). Остается надеяться на ничтожную вероятность такого неприятного события. И мириться с шансом испарения кабеля и полного выгорания оконечного оборудования (вместе с защитами).
С другой стороны, занос высокого потенциала не слишком опасен, конечно, для жилого дома, а не порохового склада. Действительно, длительность наведенного молнией импульса - много менее секунды (в качестве тестового обычно принимают 60 миллисекунд, или 0,06 секунды). Сечение проводников витой пары - 0,4 мм. соответственно, для заноса большой энергий потребуется напряжение очень большой величины. Такое, к сожалению, бывает - так же как вполне реально прямое попадание молнии в крышу дома.
Повредить типичный силовой источник питания коротким высоковольтным всплеском малореально. Трансформатор его просто не пропустит дальше первичной обмотки. Да и у импульсного преобразователя есть достаточная защита.
В качестве примера можно привести силовую проводку в сельской местности - где кабеля подходят к зданию по воздуху, и конечно, подвергаются значительным наводкам во время гроз. Никакой особой защиты при этом обычно не предусматривается (кроме плавких предохранителей или искровых промежутков). Но случаи выхода из строя электроприборов не слишком распространены (хотя бывают чаще, чем в городе).
Система выравнивания потенциалов.
Таким образом наибольшую практическую опасность представляет вторичные проявления молнии (иначе говоря наводки). При этом поражающими факторами будут:
- возникновение высокой разности потенциалов между токопроводящими частями сети;
- наведение высоких напряжений в длинных проводниках (кабелях)
Защитой от этих факторов служат, соответственно:
- выравнивание потенциалов всех токопроводящих частей (в простейшем случае - соединение в одной точке), и малое сопротивление заземляющего контура;
- экранирование защищаемых кабелей.
Начнем с описания системы уравнивания потенциалов - как с того фундамента, без которого применение любых защитных устройств не даст положительного результата.
7.1.87. На вводе в здание должна быть выполнена система уравнивания потенциалов путем объединения следующих проводящих частей:
- основной (магистральный) защитный проводник;
- основной (магистральный) заземляющий проводник или основной заземляющий зажим;
- стальные трубы коммуникаций зданий и между зданиями;
- металлические части строительных конструкций, молниезащиты, системы центрального отопления, вентиляции и кондиционирования. Такие проводящие части должны быть соединены между собой на вводе в здание.
- Рекомендуется по ходу передачи электроэнергии повторно выполнять дополнительные системы уравнивания потенциалов.
7.1.88. К дополнительной системе уравнивания потенциалов должны быть подключены все доступные прикосновению открытые проводящие части стационарных электроустановок, сторонние проводящие части и нулевые защитные проводники всего электрооборудования (в том числе штепсельных розеток)...
Схематически заземление экрана кабеля, грозозащит и активного оборудования по новой редакции ПУЭ должно производиться следующим образом:
В то время как старая редакция предусматривала такую схему:
Отличия, при всей внешней незначительности, достаточно принципиальны. Например, для эффективной грозозащиты активного оборудования желательно, что бы все потенциалы колебались вокруг единой "земли" (причем имеющей низкое сопротивление заземлителя).
Увы, слишком мало пока в России построено зданий по новому, более эффективному ПУЭ. И можно твердо сказать - "земли" в наших домах нет.
Что делать в этом случае? Вариантов два - переделывать всю сеть электроснабжения дома (нереальный вариант), либо грамотно использовать то, что есть в наличии (но при этом помнить, к чему надо стремиться).
Заземление кабелей и оборудования.
С заземлением активного оборудования сложностей обычно не бывает. Если оно промышленной серии, то наверняка имеет для этого специальную клемму. Хуже с недорогими настольными моделями - в них понятия "земли" просто нет (и заземлять, соответственно, нечего). И больший риск повреждения сполна компенсируется низкой стоимостью.
Вопрос кабельной инфраструктуры значительно сложнее. Единственный элемент кабеля, который можно заземлить без потерь полезного сигнала - это экран. Целесообразно ли использовать такие кабеля для прокладок "воздушек"? Для ответа мне бы хотелось просто привести длинную цитату:
В 1995 году независимой лабораторией была проведена серия сравнительных испытаний экранированной и неэкранированной кабельных систем. Аналогичные тесты проводились также осенью 1997 года. Контролируемый отрезок кабеля длиной 10 метров прокладывался в защищенной от внешних помех эхопоглощающей камере. Одно окончание линии подключалось к сетевому концентратору 100Base-T, а второе - к сетевому адаптеру персонального компьютера. Контрольная часть кабеля подвергалась воздействию наводок напряженностью поля 3 В/м и 10 В/м в диапазоне частот от 30 МГц до 200 МГц. Были получены два существенных результата.
Во-первых, уровень наводок в неэкранированном кабеле категории 5 оказался большим в 5-10 раз, чем в экранированном при напряженности радиочастотного поля 3 В/м. Во-вторых, при отсутствии сетевого трафика, концентратор сети, выполненной на неэкранированном кабеле, показал на некоторых частотах загрузку сети более 80%. Уровень сигналов протокола 100Base-T на частотах свыше 60 МГц очень мал, но очень важен для восстановления формы сигнала. Однако, даже при наличии помех на частоте свыше 100 МГц неэкранированная система не выдержала испытаний. При этом отмечалось снижение скорости передачи данных на два порядка.
Экранированные кабельные системы выдержали все испытания, однако для их успешного функционирования чрезвычайно важно наличие эффективного заземления.
Тут нужно сделать важное замечание. В традиционных СКС заземление выполняется по всей длине линии - непрерывно от одного порта активного оборудования до другого (хотя по идее, должно быть предусмотрено заземление в одной точке). Нормально заземлить большую распределенную сеть чрезвычайно сложно, и большинство инсталляторов не использует экранированные кабеля принципиально.
В "домашних" сетях нужно говорить не о заземлении сети, а о заземлении отдельных линий. Т.е. можно представить каждую отдельную линию как неэкранированную витую пару, проложенную в металлической трубе (ведь цель экрана защита "воздушной" части линии).
Это сильно упрощает дело. Как следствие, использование экранированного кабеля более чем целесообразно. Но только при хорошем заземлении при вводе в здание. Желательно сделать это с двух сторон по следующему правилу:
С одной стороны выполняется "глухое" заземление. С другой - через гальваническую развязку (разрядник, кондернсатор, искровой промежуток). В случае простого заземления с обеих сторон в замкнутой электрической цепи между зданиями могут возникнуть нежелательные уравнивающие токи и/или паразитные наводки.
В идеале желательно провести заземление отдельным проводом приличного сечения до подвала дома и присоединить его там прямо к шине выравнивателя потенциалов. Однако практически достаточно использовать ближайший защитный ноль. При этом эффективность грозозащиты сети снижается, но не слишком значительно, только незначительно (скорее в теории, чем на практике) увеличивается вероятность повреждения электропотребителей в доме занесенным потенциалом.