Громоотводы для деревьев

Деревья нередко становятся мишенью для ударов молний, что подчас приводит к очень серьезным последствиям. Мы расскажем о том, какую опасность несет поражение молнией как для самих деревьев, так и для живущих рядом с ними людей, а также как можно снизить риски, связанные с этим явлением.

Куда бьет молния

Для значительной части территории Земли грозы – вполне обыденное явление. Одновременно над Землей бушует около полутора тысяч гроз. Ежегодно, например, в Москве наблюдается более 20 грозовых дней. Но несмотря на привычность этого природного явления, его мощь не может не потрясать. Напряжение тока средней молнии около 100 000 вольт, а сила тока 20 000–50 000 ампер. Температура канала молнии при этом достигает 25 000 – 30 000 °C. Неудивительно, что попадание молнии в строения, деревья или людей и распространение ее электрического заряда часто приводит к катастрофическим последствиям.

Хотя поражение молнией отдельно взятого наземного объекта, будь то здание, мачта или дерево, довольно редкое событие, колоссальная разрушительная сила делает грозы одним из наиболее опасных для человека природных явлений. Так, по статистике, каждый седьмой пожар в сельской местности начинается из-за удара молнии, по количеству вызванных природными бедствиями зарегистрированных смертельных случаев молнии занимают второе место, уступая только наводнениям.

Вероятность поражения наземных объектов (в том числе и деревьев) молнией зависит от нескольких факторов:

• от интенсивности грозовой активности в регионе (связана с особенностями климата);
• от высоты данного объекта (чем выше, тем вероятнее удар молнии);
• от электрического сопротивления объекта и расположенных под ними слоев почвы (чем ниже электрическое сопротивление объекта и расположенных под ним слоев почвы, тем выше вероятность разряда в него молнии).

Из сказанного понятно, почему деревья часто становятся мишенью для молний: дерево нередко является преобладающим по высоте элементом рельефа, насыщенная влагой живая древесина, связанная с глубокими, обладающими низким электрическим сопротивлением слоями грунта, часто представляет собой неплохо заземленный естественный громоотвод.

Грозовая активность в некоторых населенных пунктах Московской области

Чем опасно поражение молнией дерева

Последствия удара молнии в дерево часто оказываются разрушительными как для него самого, так и для расположенных рядом строений, а также представляют значительную угрозу для людей, оказавшихся в этот момент поблизости. В момент прохождения мощного электрического заряда через древесину происходит мощное выделение тепла и взрывное испарение влаги внутри ствола. Результатом этого становятся повреждения разной тяжести: от поверхностных ожогов или трещин до полного расщепления ствола или возгорания дерева. В некоторых случаях внутри ствола возникают значительные механические повреждения (продольные трещины или расщепление древесины по годичным кольцам), практически незаметные при внешнем осмотре, но существенно увеличивающие риск падения дерева в ближайшем будущем. Нередко серьезные, но незаметные при визуальном осмотре повреждения могут получать и корни дерева.

В том случае, если повреждение молнией не приводит к мгновенному разрушению или гибели дерева, полученные им обширные травмы могут стать причиной развития опасных болезней, например гнилей, сосудистых заболеваний, ослабленное растение становится легкой добычей стволовых вредителей. В результате этого дерево может стать небезопасным или усохнуть.

Удары молнии в деревья (в том числе и живые) нередко вызывают пожары, которые переходят и на близлежащие строения. Иногда боковой разряд от дерева передается на стену здания, даже если на нем установлен молниеотвод. Наконец, электрический потенциал от пораженного дерева распространяется в поверхностных слоях грунта, в результате чего он может быть занесен в здание, повредить подземные коммуникации или привести к поражению электрическим током людей или домашних животных.

Удар молнии в дерево способен причинить значительный материальный ущерб даже в том случае, если аварийной ситуации при этом не возникло. Ведь оценка безопасности такого дерева, специальный уход за ним либо даже простое удаление засохшего или безнадежно больного дерева может быть связано со значительными материальными затратами.

Иногда боковой разряд от дерева передается на стену здания, даже если на нем установлен молниеотвод.

Проблемы нормативной базы

Таким образом, молниезащита особенно ценных деревьев (являющихся центром ландшафтных композиций, исторических и редких) или деревьев, произрастающих вблизи жилья, может быть практически оправданной. Однако нормативная база, предписывающая или регулирующая молниезащиту деревьев, в нашей стране полностью отсутствует. Такое положение дел является скорее следствием инертности отечественной нормативно-правовой базы, чем адекватной оценкой рисков, связанных с поражением молниями деревьев в урбанизированной среде.

Основной действующий отечественный стандарт по молниезащите датируется 1987 годом. Отношение к молниезащите в загородной местности в этом документе отражает реалии и позиции того времени: материальная ценность большинства загородных построек была невелика, а интересы государства фокусировались на защите общественной, а не частной собственности. Кроме того, составители отечественных стандартов исходили из предположения, что при строительстве загородного жилья соблюдаются строительные нормы и правила, но это не всегда так. В частности, минимальное расстояние от ствола дерева до стены здания должно быть не менее 5 м. В реалиях же загородного строительства дома часто располагают вплотную к деревьям. Причем владельцы таких деревьев, как правило, неохотно соглашаются на их удаление.

В других странах нормативы по молниезащите есть: например американский – ANSI A 300 Part 4 или британский – British Standard 6651 регулирует в том числе и молниезащиту деревьев.

Минимальное расстояние от ствола дерева до стены здания должно быть не менее 5 м.

Когда необходима защита?

В каких случаях имеет смысл задуматься о молниезащите дерева? Перечислим факторы, на основании которых может быть рекомендовано такое решение.

Дерево произрастает на открытой местности или заметно выше соседних деревьев, зданий, сооружений и элементов рельефа. Преобладающие по высоте объекты поражаются молниями чаще.

Район с высокой грозовой активностью. При высокой частоте гроз вероятность поражения деревьев (как и других объектов) возрастает. Основными характеристиками грозовой активности являюся среднегодовое число грозовых часов, а также средняя удельная плотность ударов молний в землю (среднегодовое число ударов молний на 1 км²) земной поверхности. Последний показатель используется для расчета ожидаемого числа поражений объекта (в том числе и дерева) молнией в год. Например, в случае района со средней продолжительностью грозовых часов 40–60 в год (в частности, некоторые районы Московской области) можно ожидать поражения дерева высотой 25 м один раз в 20 лет.

Расположение участка вблизи водоемов, подземных ключей, повышенная влажность почвы на участке. Такое расположение дополнительно увеличивает риск поражения дерева молнией.

Высокое дерево произрастает на расстоянии трех или менее метров от здания. Такое расположение дерева не влияет на вероятность попадания в него молнии. Однако поражение деревьев, расположенных вблизи строений, несет значительные угрозы как для самих строений, так и для находящихся в них людей. При этом повышается риск поражения здания боковым разрядом, очень велик риск повреждения кровли при падении дерева, при его возгорании пожар может распространиться на здание.

Ветви дерева нависают над кровлей здания, касаются его стен, козырьков, водостоков или декоративных элементов фасада. В этом случае также повышается риск повреждения здания, возгораний, переноса разряда на дом.

Дерево относится к породе, часто или регулярно поражаемой ударами молний. Деревья некоторых пород поражаются молниями чаще, чем другие. Наиболее часто поражаются молниями дубы.

Корни дерева, произрастающего рядом со зданием, могут контактировать с подземным фундаментом или подходящими к дому коммуникациями. В этом случае при поражении молнией дерева повышается вероятность «заноса» разряда в помещения или повреждения коммуникаций (например, датчиков системы полива и электросетей).

Специалисты по молниезащите зданий рекомендуют установку отдельно стоящегомолниеприемника, при этом на расстоянии от 3 до 10 м есть деревья, подходящие по высоте и другим параметрам для установки молниеприемника и токоотвода. Установка отдельной мачты может обойтись довольно дорого. Для многих владельцев загородных домов такие мачты также эстетически неприемлемы. И наконец, разместить мачту в лесной зоне таким образом, чтобы при ее строительстве не пострадали корни деревьев или растяжки не мешали перемещению людей, бывает очень не просто.

Подверженность поражению незащищенных деревьев некоторых пород
(из стандарта ANSI A 300, Part 4)

Принцип действия

Принцип действия системы молниезащиты состоит в том, что разряд молнии «перехватывается» молниеприемником, безопасно проводится токоотводом и передается в глубокие слои почвы при помощи заземления.

Компонентами системы молниезащиты дерева являются: молниеприемник (один или несколько), надземный токоотвод, подземный токоотвод и система заземления, состоящая из нескольких заземляющих стержней или пластин.

При разработке собственных схем молниезащиты мы столкнулись с необходимостью сочетания отечественных стандартов по молниезащите зданий и сооружений и западных стандартов, регулирующих молниезащиту деревьев. Необходимость такого сочетания связана с тем, что в действующих отечественных стандартах нет рекомендаций по установке систем молниезащиты на деревья, а более старые предписания включают инструкции, представляющие угрозу для здоровья дерева. В то же время американский стандарт ANSI A 300, содержащий подробную информацию о креплении системы на дереве и принципах ее установки и обслуживания предъявляет более низкие требования к электробезопасности системы по сравнению с отечественными нормативами.

Компоненты молниезащиты выполняются из меди или нержавеющей стали. При этом, во избежание коррозии, используется только один из выбранных материалов во всех соединениях и контактах между проводящими элементами. Однако при использовании меди допускается применение бронзовых элементов крепления. Медные компоненты дороже, но имеют большую проводимость, что позволяет уменьшить размер компонентов, сделать их менее заметными и сократить расходы на монтаж системы.

По статистике, каждый седьмой пожар в сельской местности начинается из-за удара молнии, по количеству вызванных природными бедствиями зарегистрированных смертельных случаев молнии занимают второе место, уступая только наводнениям.

Компоненты системы

Молниеприемник представляет собой замкнутую на конце металлическую трубку. Токоотвод входит внутрь молниеприемника и присоединяется к нему болтами.

Для деревьев с раскидистой кроной бывают необходимы дополнительны токоприемники, поскольку в этом случае разряд молнии может ударить в ветви или вершины, удаленные от молниеприемника. Если на дереве установлена система механической поддержки ветвей на основе металлических тросов, то при выполнении молниезащиты она также должна быть заземлена. Для этого при помощи болтового контакта к ней присоединяется дополнительный токоотвод. Следует учитывать, что прямой контакт меди с оцинкованным тросом недопустим, поскольку ведет к коррозии.

Токоотводы от молниеприемников и дополнительных контактов соединяются при помощи специальных зажимных контактов или болтовых соединений. В соответствии со стандартом ANSI A 300 для молниезащиты деревьев используются токоотводы в виде цельнометаллических стальных кабелей различного плетения. В соответствии с отечественными стандартами минимальное эффективное сечение токоотвода из меди – 16 мм², минимальный размер эффективного сечения токоотвода из стали – 50 мм. При проведении токоотводов по дереву необходимо избегать их резких изгибов. Недопустимы изгибы токоотводов под углом меньше 900, радиус кривизны изгиба не должен быть меньше 20 см.

Принципиальная схема заземления системы молниезащиты

Токоотводы присоединяются к стволу при помощи металлических зажимов, заглубляемых в древесину ствола на несколько сантиметров. Материал зажимов не должен приводить к контактной коррозии при соединении с токоотводом. Фиксировать токоотводы, привязывая их к дереву проволокой, нельзя, поскольку радиальный рост ствола приведет к возникновению кольцевых травм и усыханию дерева. Жесткая фиксация токоотводов на поверхности ствола (скобами) приведет к их врастанию в ствол, снижению долговечности и безопасности системы и развитию обширной стволовой гнили. Оптимальный вариант крепления системы – установка динамических зажимов. В этом случае при увеличении диаметра ствола держатели с кабелями автоматически поджимаются к концу стержня давлением тканей дерева. Отметим, что заглубление штифтов зажимов на несколько сантиметров в древесину и их последующая частичная инкапсуляция деревом практически не наносит ему никакого вреда.

Токоотводы спускаются вниз по стволу до его основания и заглубляются в траншею.

Минимальная глубина траншеи для подземной части токоотвода, предписываемая стандартом ANSI A 300, – 20 см. Копка траншеи проводится вручную с сохранением максимального числа корней. В тех случаях, когда повреждение корней особенно нежелательно, для устройства траншеи следует использовать специальное оборудование. Например, воздушный нож – компрессорный инструмент, предназначенный для выполнения земляных работ в приствольной зоне деревьев. Это устройство, используя сильный сфокусированный поток воздуха, способно удалить частицы грунта, не повреждая даже самых тонких корней дерева.

Тип и параметры заземляющего устройства и расстояние, на которое должен отходить до него токоотвод, определяются свойствами грунта. Это связано с необходимостью сократить до требуемого уровня импульсное сопротивление заземления – электрическое сопротивление растеканию импульса электрического тока от заземляющего электрода. По отечественным нормам в местах, регулярно посещаемых людьми, такое сопротивление не должно превышать 10 Ом. Данная величина сопротивления заземлению должна исключить искровые пробои тока от подземного токоотвода и заземлителя на поверхность почвы и, следовательно, предотвратить поражение людей, строений и коммуникаций электрическим током. Основной показатель грунта, определяющий выбор схемы заземления, – удельное сопротивление грунта – сопротивление между двумя гранями 1 м³ земли при прохождении по нему тока.

Чем выше удельное сопротивление грунта, тем более разветвленной должна быть система заземления, чтобы обеспечить безопасное стекание электрического заряда. На грунтах с небольшим удельным сопротивлением –до 300 Ом (суглинки, глины, заболоченная местность), – как правило, применяется система заземления из двух вертикальных заземляющих стержней, соединенных токоотводом. Между стержнями выдерживается расстояние не менее 5 м. Длина стержней 2,5–3 м, верхний конец стержня заглубляется на 0,5 м.

На грунтах с большими значениями удельного сопротивления (супеси, пески, гравий) используются многолучевые системы заземления. При ограничении возможной глубины залегания заземления применяются заземляющие пластины. Для удобства осмотров и тестирования надежности заземления над заземляющими элементами устанавливаются небольшие колодцы.

Удельное сопротивление грунта не постоянная величина, ее значение сильно зависит от влажности грунта. Поэтому в засушливое время года надежность заземления может снижаться. Для предотвращения этого используется несколько приемов. Во-первых, заземляющие стержни по возможности размещаются в зоне полива. Во-вторых, верхняя часть стержня заглубляется на 0,5 м ниже поверхности грунта (верхние 0,5 м грунта наиболее склонны к пересыханию). В-третьих, при необходимости в грунт добавляется бентонит – естественный влагоудерживающий компонент. Бентонит представляет собой мелкие коллоидные частицы минеральной глины, поровое пространство которых хорошо удерживает влагу и стабилизирует влажность грунта.

Насыщенная влагой живая древесина, связанная с глубокими, обладающими низким электрическим сопротивлением слоями грунта, часто представляет собой неплохо заземленный естественный громоотвод.

Распространенные ошибки

В отечественной практике молниезащита деревьев применяется редко, и в тех случаях, когда она все же производится, при ее устройстве совершается ряд серьезных ошибок. Так, в качестве молниеотводов, как правило, используются металлические прутки, закрепляемые на дереве при помощи проволоки или металлических обручей. Такой вариант крепления приводит к возникновению серьезных кольцевых травм ствола, которые со временем приводят к полному усыханию дерева. Определенную опасность представляет и врастание токоотвода в ствол дерева, приводящее к возникновению обширных открытых продольных ран на стволе.

Поскольку установка молниезащиты на деревья производится электромонтажниками, то для подъема на дерево ими обычно используются гафы (кошки) – ботинки с металлическими шипами, наносящие серьезные травмы дереву.

К сожалению, игнорируются и особенности кроны дерева: как правило, не учитывается необходимость установки нескольких молниеприемников на многовершинные деревья с широкими кронами, не учитываются также и структурные дефекты ветвления дерева, что нередко приводит к слому и падению вершины с установленным молниеприемником.

Молниезащиту деревьев нельзя назвать распространенной практикой. Показания к ее выполнению встречаются в районах с умеренной грозовой активностью достаточно редко. Тем не менее в тех случаях, когда молниезащита деревьев необходима, крайне важно ее правильное выполнение. Проектируя и устанавливая такие системы, важно учитывать не только надежность самого молниеотвода, но и безопасность системы для защищаемого дерева.

Итоговая надежность молниезащиты будет зависеть как от правильного выбора ее материалов, контактов и заземления, так и от устойчивости самого дерева. Только учитывая особенности структуры кроны, радиального прироста, расположения корневой системы дерева, можно создать надежную и не наносящую опасных травм дереву, а значит, не создающую лишних рисков для живущих рядом людей систему молниезащиты.

Если на дереве установлена система механической поддержки ветвей на основе металлических тросов, то при выполнении молниезащиты она также должна быть заземлена.