Последствия прямого удара молнии в базовую антенну

          https://vk.com/wall-152774183_1707

     ПОСЛЕДСТВИЯ ПРЯМОГО УДАРА МОЛНИИ В БАЗОВУЮ АНТЕННУ

     А.В. Соколов, г. Москва

     В радиосвязи на частотах 25…30 МГц (любительский 10-метровый, СиБи) в качестве базовых (стационарных) антенн широко используются вертикальные штыревые антенны с круговой диаграммой направленности типа «Ground Plane» (GP 1/2 ;, 5/8 ;). Физическая длина такой антенны составляет приблизительно 5…7 м, и с целью повышения эффективности ее монтируют на мачте-опоре высотой 5…6 м (а часто и до 18 м – в случае применения армейских телескопических мачт). Кроме того, для обеспечения максимальной зоны прямой радиовидимости, антенну стремятся разместить как можно выше, например, на многоэтажном здании, желательно расположенном в топографической точке, возвышающейся над окружающей местностью. Таким образом, общая высота антенно-мачтового устройства над земной поверхностью нередко достигает 100 и более метров, что в сезон грозовой активности превращает это сооружение в источник повышенной опасности.
     Радиолюбителю необходимо четко представлять, какую серьезную угрозу несет линейная молния. Это электрический искровой разряд в атмосфере, возникающий между кучево-дождевыми облаками, зонами внутри облака или облаком и земной поверхностью (наземными сооружениями). Протяженность ствола молнии может составлять несколько километров при диаметре проводящего канала от единиц до десятков сантиметров. При этом происходит интенсивный разогрев канала до температуры около 25 тысяч градусов и его ударное расширение, которое воспринимается на слух как раскат грома с уровнем звука порядка 130 дБ. Электрический потенциал грозового облака варьируется от десятков миллионов до миллиарда вольт. Начальный этап электрического пробоя составляет от десятков до сотен миллисекунд, при этом амплитуда импульсного пока главного разряда молнии доходит до 100 кА. При ударе молнии возникает сильнейшая электромагнитная и электростатическая индукция, поэтому электрический потенциал, наведенный в окружающих предметах, может достигать 100 кВ. Помимо импульсного воздействия имеется также непрерывная составляющая тока молнии до нескольких сотен ампер за время до 1,5 секунды. Как видим, у молнии весьма солидные параметры, поэтому пренебрегать правилами безопасности по отношению к ней категорически не следует.
     Почему-то принято считать, что антенны типа GP, вибратор которых гальванически связан с металлической мачтой через согласующую катушку, являются абсолютно безопасными. Продавцами связного оборудования был даже придуман убаюкивающий термин – «естественная грозозащита», хотя правильнее называть эту защиту просто «антистатической». От воздействия же поражающих факторов прямого попадания молнии гарантированно может спасти только одно средство, а именно молниеотвод. Он состоит из трех частей – молниеприемника, токоотвода и заземлителя, функциональное назначение которых понятно из самих терминов. Однако не все знают, что каждый из этих элементов должен быть выполнен в строгом соответствии с Законодательными актами, регламентирующими правила оснащения зданий и оборудования молниезащитой.
     Вполне очевидно, что вибратор высокоподнятой штыревой антенны в физическом смысле ничем не отличается от молниеприемника, следовательно, он объективно провоцирует принятие на себя большего количества разрядов атмосферного электричества. Отсюда отнюдь не безразлично, как будут выполнены два других, ключевых с точки зрения безопасности элемента.
     Радиолюбительская литература, а также «Инструкция о порядке регистрации и эксплуатации любительских радиостанций», разработанная Госсвязьнадзором (бывшая ГИЭ), допускают два варианта заземления антенно-мачтового устройства:
     а) естественное заземление в грунте;
     б) электрическое соединение с арматурным каркасом здания, водопроводными трубами, другими металлоконструкциями, поскольку при строительстве они непрерывно соединены между собой с помощью сварки и надежно заземлены, образуя так называемый «контур заземления».
     Первый вариант подходит в основном для сельских радиолюбителей. В условиях же города самостоятельно проводить с крыши многоэтажного здания токоотвод и копать траншею для укладки заземлителя – нонсенс, поэтому используют второй вариант. И вот тут иногда можно столкнуться с очень неприятным «сюрпризом».
     В этой связи интересен один поучительный случай, произошедший в Москве, и к счастью не повлекший трагических последствий. Детальное описание всех подробностей поможет лучше оценить и проанализировать ситуацию, в которой, на первый взгляд, не было ничего опасного.
     Итак, знойным летним днем небо над городом заволокло свинцовыми тучами, и начался ливень с сильной грозой. Одна из молний ударила в СиБи антенну, установленную на крыше 9-ти этажного кирпичного здания постройки конца 50-х годов.
     Базовая антенна Alan Energy 1;2, длина которой составляла приблизительно 5,7 м, располагалась на дюралюминиевой мачте длиной 5,5 м. Мачта была зафиксирована в желобе стального швеллера от демонтированной телевизионной антенны. Сам швеллер посредством кронштейнов крепился к кирпичной стене лифтовой будки и соединялся с контуром заземления арматурной проволокой диаметром 8 мм с помощью сварки. Оттяжки для мачты не применялись, поскольку швеллер обеспечивал устойчивость конструкции. Фидер длиной около 50 м из коаксиального кабеля марки RG-213 опускался по наружной стене здания и входил в окно помещения, расположенного на 2-м этаже.
     По словам очевидцев, длинный ослепительный зигзагообразный шнур ударил в антенну под углом приблизительно 45 градусов от вертикали. Явление сопровождалось невероятным грохотом, похожим на треск раздираемого полотна. На десятках припаркованных возле тротуара автомобилях одновременно взревели противоугонные сигнализации, а у перепуганных прохожих надолго заложило уши. По всей вероятности, энергии этой молнии было не занимать.
     Внутри здания творилось нечто, напоминающее штучки Дункана Маклауда из фантастического телесериала «Горец». Вдоль труб центрального отопления, кабельных трасс и силовых магистралей вспыхивали фейерверки искровых разрядов, на поверхности стен и вблизи электроустановок мерцало загадочное фиолетовое свечение. То тут, то там что-то трещало и шипело, в подвальном помещении шныряли настоящие шаровые молнии.
     А произошло следующее. После удара молнии в антенну ее электрический заряд не смог уйти в почву, и токи молнии пошли внутрь здания. Впоследствии выяснилось, что арматурный каркас здания был практически изолирован от земли. Причиной этого могло являться:
- неблагоприятная геологическая подоснова здания (сухой песчаный или скалистый грунт, имеющий высокое удельное сопротивление),
- поверхностный тип заземления (недостаточная глубина залегания заземлителя или площадь его поверхностного контакта с почвой),
- сильная коррозия заземлителя,
- обрыв шин токоотводов,
- изначальное отсутствие заземления.
     Занос высокого напряжения на строительные конструкции явился причиной возникновения искровых, стелющихся и коронных разрядов. На путях протекания тока происходило мгновенное превращение влаги в пар высокого давления. Возникшую ситуацию следует классифицировать как опасную и чреватую самими тяжелыми последствиями (возгорание, механические разрушения объекта, поражение людей).
     Несмотря на то, что время от момента удара молнии до стекания заряда и полного выравнивания потенциалов внутри здания составляло, вероятно, единицы секунд, процесс доставил массу неприятностей. Вышла из строя станция управления лифтом, на машинном помещении которого стояла антенна. Из-за возникших импульсных перенапряжений в питающей сети, а также в информационных и сигнальных коммуникациях были повреждены компьютеры, факсы, телефоны, система охранно-пожарной сигнализации, приемное оборудование спутникового телевидения.
     Также была выведена из строя СиБи аппаратура. В покрытом копотью стационарном усилителе взорвалось большинство транзисторов, диодов и оксидных конденсаторов. Выгорели широкополосные ВЧ-трансформаторы, намотанные на «биноклях» проводом МГТФ, проводники печатных плат, резисторы и другие компоненты. С трансивером Alan 48 plus сложилась парадоксальная ситуация: в нем пробило два «цифровых» n-p-n транзистора КТС101, которые в обычных условиях практически не выходят из строя, а также электретный микрофон гарнитуры. В тоже время чувствительный к статике КМОП микропроцессор LC7232 оказался неповрежденным.
     А вот, что произошло с антенной. Концевой штырь вибратора был словно автогеном отрезан от втулки крепления – на его торцах имелись следы оплавления, согнут в дугу (!) и отброшен на несколько метров. Остальные колена вибратора оказались искорежены в местах соединений. Необычный характер деформаций давал основание предположить, что в ее формировании участвовал не только термический фактор, но и силы электромагнитного взаимодействия между трубками.
     Основная часть антенного согласующего автотрансформатора, намотанного медным проводам диаметром 1,5 мм, бесследно испарилась. Процесс носил характер взрыва: внутри кожуха, закрывающего катушку, практически мгновенно возникло огромное избыточное давление, которое разорвало его на куски. Кстати, кожух был изготовлен из высокопрочного полимерного композиционного материала и имел толщину стенок порядка 5 мм. На кровле удалось обнаружить лишь отдельные фрагменты кожуха, внутренняя поверхность которых была сильно обожжена и имела красноватый налет металлизации медью.
     Анализ остатков автотрансформатора позволяет сделать однозначный вывод о том, что там, где заземлению полагалось быть, оно отсутствовало. В катушке, состоящей из 22 витков, испарились 13 витков от «горячего» конца до отвода. Следующие 9 витков от отвода до заземленного «холодного» конца были абсолютно нетронуты. Таким образом, основная часть тока молнии нашла кратчайший путь к земле не по мачте и металлоконструкциям здания, а с отвода автотрансформатора ушла по фидеру в усилитель, где произошло перекрытие на электросеть (в фазу и глухо заземленную нейтраль).
     После этого ЧП администрация здания выдала категорическое предписание «с крыши немедленно все убрать». Антенна принадлежала таксистам, и те стали подыскивать для своей диспетчерской другое помещение. Но уход арендатора не устраивал администрацию, поэтому поставить антенну все-таки разрешили, правда, с одним условием: «не выше лифтовой будки». Аргументация была вполне логичной – длинная антенна может опять «притянуть» молнию.
     Однако слишком короткая и низкая антенна не обеспечивала нормальной связи между диспетчером и водителями. Что же делать? Рассматривался переход на УКВ, использование сотовой связи, но эти варианты показались слишком дороги. И тогда было найдено «соломоново» решение: воспользоваться услугами специализированной монтажной организации и установить на крыше несколько молниеотводов с автономным заземлением. При этом высоту антенны пришлось немного уменьшить, чтобы она вписывалась в защитную зону молниеприемников.
     Из данного конкретного случая можно сделать ряд полезных практических выводов:
- различные здания могут существенно отличаться по уровню молниезащиты и по ее текущему состоянию, что должно учитываться при установке антенны. Крайнюю осмотрительность необходимо проявлять в деревянных и кирпичных зданиях, особенно, если это объекты старой постройки,
- не проведя инструментального обследования, весьма опрометчиво надеяться, что любая арматура на крыше здания имеет хорошую электрическую связь с землей (менее 10 Ом) и может быть использована в качестве молниеотвода,
- при грозе работа на радиостанции должна быть категорически запрещена, при этом фидерную линию необходимо отключить от аппаратуры и заземлить,
- для предохранения от повреждения чувствительного электронного оборудования необходимо применять специальные быстродействующие устройства защиты от импульсных перенапряжений (разрядники, варисторы),
- следует весьма тщательно относиться к молниезащите антенны и перед ее установкой консультироваться с профильными специалистами, имеющими лицензии Госстроя, МЧС или Энергонадзора.
     В заключении автор выражает свое удивление по следующему поводу. Один известный журнал для радиолюбителей в последний момент передумал печатать данный материал, хотя тот был полностью подготовлен к публикации.
     Мотивация была такая: «не предавать широкому обсуждению вопросы взаимодействия радиолюбителей и ДЭЗ применительно к этой теме».
     Безусловно, у радиолюбителей и так хватает организационных проблем с установкой антенн на крыше, тем не менее, позиция несколько странная. Ведь если замалчивать проблему безопасности, то риск «поближе познакомиться» с молнией от этого не уменьшится.

     25.10.2004 г.            vectorservis@bk.ru



     ЛИТЕРАТУРА

     1. Аргонов А. В помощь любителю Си-Би радиосвязи. – М.: Солон-Р, 2000, с. 33-35.
     2. Бекетов В., Харченко К. Измерения и испытания при конструировании и регулировке радиолюбительских антенн. – М.: Связь, 1971, с. 262-264.
     3. Григорьев И. Штыревые антенны. Радиолюбитель, 1992, №7, с. 42.
     4. Драбкин А., Коренберг Е., Меркулов С. Антенны. – М.: Радио и связь, МРБ, вып.1215, 1995.
     5. Козловский А. Установка антенн на крышах. – М.: Энергоиздат, 1955.
     6. Лапшин Е. Си-Би – радиосвязь для всех. – М.: Солон, 1997.
     7. Никитин В., Соколов Б., Щербаков В. 100 и одна конструкция антенн: телевизионных, радиовещательных, Си-Би радиосвязи. – М.: Символ-Р, 1996, с. 143-145.
     8. Ротхаммель К. Антенны. – Спб.: Бояныч, 1998, с. 599-606.
     9. Степанов Б. Справочник радиолюбителя-коротковолновика. – М.: ЗАО «Журнал «Радио», 1996, с. 29-33.

     ПОЛЕЗНАЯ НОРМАТИВНАЯ БАЗА

     1. IEC-61024-1 (1990-04). Молниезащита строительных конструкций.
     2. IEC-61312-1 (1995-05). Защита от электромагнитного импульса молнии.
     3. IEC-61643-12 (2002). Устройства защиты от перенапряжений для низковольтных систем распределения электроэнергии.
     4. ГОСТ Р 50571.19-2000. Электроустановки зданий. Защита от грозовых и коммутационных перенапряжений.
     5. ГОСТ Р 50571.20-2000. Электроустановки зданий. Защита от перенапряжений, вызванных электромагнитными воздействиями.
     6. ГОСТ Р 50571.21-2000. Электроустановки зданий. Заземляющие устройства и системы уравнивания электрических потенциалов в электроустановках, содержащих оборудование обработки информации.
     7. ГОСТ Р 50571.22-2000. Электроустановки зданий. Заземление оборудования обработки информации.
     8. ГОСТ Р 50571.26-2002. Электроустановки зданий. Устройства для защиты от импульсных перенапряжений.
     9. СО-153-34.21.122-2003. Инструкция по устройству молниезащиты зданий, сооружений и промышленных коммуникаций.
     10. СП 31-110-2003. Проектирование и монтаж электроустановок жилых и общественных зданий.
     11. ETSI EN 300253 V2.1.0 (2001-12). Европейский Телекоммуникационный Стандарт. Инжиниринг оборудования. Заземление и выравнивание потенциалов оборудования на объектах связи.
     12. ITU-T К. 27. Рекомендации Международного Союза Электросвязи. Потенциала выравнивающие соединения и заземление в здании объекта электросвязи.
     13. ВСН 1-93. Ведомственные строительные нормы. Инструкция по проектированию молниезащиты радиообъектов.
     14. РД 34.21.122-87. Инструкции по устройству молниезащиты зданий и сооружений.