Общие теоритические положения

Защита зданий и сооружений от ударов молнии осуществляется с помощью молниеотводов. Молниеотвод представляет собой возвышающееся над защищаемым объектом устройство, которое состоит из молниеприемника, непосредственно воспринимающего на себя удар молнии, токоотводящих спусков и заземлителя, через который ток молнии отводится в землю.

Защитное действие молниеотводов основано на свойстве молнии поражать прежде всего более высокие и хорошо заземленные металлические объекты. Во время лидерной стадии молнии на вершине молниеотвода скапливаются заряды, создающие наибольшие напряженности электрического поля на пути между развивающимся лидерным каналом и вершиной молниеотвода. По этому пути и направляется разряд. Возникновение и развитие с молниеотвода встречного стримера еще более усиливает напряженность поля в направлении лидера молнии и окончательно предопределяет удар в молниеотвод. Защищаемый объект, более низкий, чем молниеотвод, будучи расположенным поблизости от него, оказывается заэкранированным молниеотводом и встречным стримером и поэтому практически не будет поражаться молнией.

Пространство вокруг молниеотвода, защищенное от попаданий молнии, называется его зоной защиты. Защищаемый объект должен всеми своими частями входить в зону защиты молниеотвода. Вследствие того, что развитие электрических разрядов подчиняется статистическим закономерностям, защищенность объекта, находящегося в зоне защиты, обеспечивается лишь с определенной степенью надежности (не менее 99%).

Зоны защиты молниеотводов определены опытным путем на моделях. При этом было принято, что зоны защиты реальных молниеотводов геометрически подобны зонам, полученным на лабораторных моделях.

В качестве модели молнии использовался искровой разряд при импульсном напряжении, развитие которого в длинных промежутках происходит в две основные стадии — лидерную и главную — и имеет, таким образом, качественное сходство с молнией.

Несмотря на то, что большинство разрядов молнии в землю имеет отрицательную полярность, при опытном определении зон защиты применялись разряды положительной полярности. Связано это с тем, что при положительной полярности длина встречного стримера с модели молниеотвода составляет всего примерно 1/3 разрядного промежутка. Это значительно больше относительной длины встречных стримеров, развивающихся с молниеотводов высотой до 100 м, но, однако, ближе к реальным условиям, чем при использовании разрядов отрицательной полярности. В лабораторных условиях при отрицательной полярности импульса разряд начинает развиваться с модели молниеотвода и зоны защиты получаются сильно завышенными.

В лабораторных опытах были приняты также недостаточно обоснованные предположения относительно высоты, с которой канал лидера молнии начинает ориентироваться на молниеотвод. Поверхность нулевого потенциала, относительно которой строится зона защиты, лишь в первом приближении можно считать совпадающей с поверхностью земли. Ее действительное положение зависит от геологического строения грунта и уровня грунтовых вод.

Все сказанное свидетельствует о весьма приближенном моделировании реальных процессов в лаборатории и условности полученных зон защиты. Однако надежность разработанных на основе лабораторных опытов рекомендаций по зонам защиты подтверждена многолет­ним опытом эксплуатации молниеотводов, что дает нам возможность уверенно пользоваться ими.

Молниеотводы по типу молниеприемников разделяются на стержневые и тросовые. Стержневые молниеотводы выполняются в виде вертикально установленных стержней (мачт), соединенных с заземлителем, а тросовые -в виде горизонтально подвешенных тросов (проводов). По опорам, к которым крепится трос, прокладываются токоотводы, соединяющие трос с заземлителем. Тросовые молниеотводы применяются для защиты линий электропередачи высокого напряжения, длинных и узких сооружений, а также в тех случаях, когда из-за густой сети подземных коммуникаций нельзя установить необходимое число стержневых молниеотводов. Для подавляющего же большинства зданий и сооружений защита стержневыми молниеотводами оказывается более простой и удобной.

Помимо стержней и тросов в качестве молниеприемников часто используются конструктивные элементы зданий и сооружений, например, крыши, металлические трубы, парапеты и др., или сетки из стальных проводов, накладываемые на крыши защищаемых объектов. Защитное действие молниеотводов с такими молниеприемниками во многих случаях, в особенности по отношению к соседним сооружениям, может быть сведено к действию стержневых или тросовых молниеотводов соответствующих размеров.

Зона защиты одиночного стержневого молниеотвода представляет собой пространство вблизи молниеотвода, ограниченное конусообразной поверхностью (рис. 1). Чтобы быть защищенным от прямых ударов молнии, объект полностью должен находиться внутри зоны за­щиты.

Рис. 1. Зона защиты стержневого молниеотвода.

Образующая поверхности, ограничивающей зону защиты молниеотвода высотой h < 30 м, имеет вид ломаной линии (рис. 2). Один из отрезков этой ломаной ab является частью прямой, соединяющей вершину молниеотвода с точкой на поверхности земли, удаленной на 0,75h от оси молниеотвода, а другой отрезок bc представляет собой часть прямой, соединяющей точку молниеотвода на высоте 0,8h с точкой на поверхности земли, удаленной от молниеотвода на 1,5h.

Рис. 2. Зона защиты одиночного стержневого молниеотвода.

Если h_x является высотой защищаемого объекта, то соответствующий ей г_х называется радиусом зоны защиты на высоте h_x, а превышение молниеотвода над защищаемым объектом (h—h_x)=h_a называется активной вы­сотой молниеотвода.

Из рис. 2 видно, что точка b находится на высоте h. Легко показать, что радиус зоны защиты на высоте h_x h равен:

) (1)

Радиус зоны защиты на уровне h_x h:

). (2)

При высоте больше 30 м эффективность молниеотводов снижается. Для определения радиуса зоны защиты молниеотвода высотой

h= 30÷100 м значения, получен­ные по (1) и (2), нужно умножить на коэффициент .

Построение зоны защиты производится аналогично тому, как это показано на рис. 2, но прямые аа' и сс' проводятся через точки, лежащие на поверхности земли на расстояниях соответственно 0,75hp и 1,5hp от оси молниеотвода.

Зона защиты между двумя стержневыми молниеотводами имеет значительно большие размеры, чем сумма зон защиты двух одиночных молниеотводов. Внутренняя часть зоны защиты двух стержневых молниеотводов (рис. 7) в плоскости, проходящей через оба молниеотвода, ограничивается сверху дугой окружности, которую можно построить по трем точкам: две из них— вершины молниеотводов, а третья расположена посредине между молниеотводами на высоте

(3)

(а — расстояние между молниеотводами). Сечение зоны защиты в перпендикулярной плоскости строится аналогично тому, как определяются образующие зоны защиты одиночного молниеотвода (сечение по 0-0 на рис. 3).

Также строится и внешняя часть зоны защиты каждого из стержневых молниеотводов.

Для двух молниеотводов высотой h = 30÷100 м точка определяется как

(4)

Радиусы зоны защиты в сечениях также уменьшаются в р раз.

Рис. 3. Зона защиты двух стержневых молниеотводов.

Объекты, расположенные на достаточно большой территории, защищаются несколькими молниеотводами (рис. 4). В этом случае внешняя часть зоны защиты определяется тем же путем, как и зона за­щиты двух молниеотводов. Внутренняя часть зоны защиты нескольких молниеотводов не строится. Объект высотой h_x, находящийся внутри

Рис. 4. Площадь на уровне h_x,,защищенная тремя молниеотводами (1,2,3) высотой h.

треугольника (или прямоугольника), образуемого молниеотводами, будет защищен в том случае, если диаметр D окружности, проходящей через вершины молниеотводов (или диагональ прямоугольника, в углах которого находятся молниеотводы), не будет больше восьмикратной актив­ной высоты молниеотводов, т. е. условием защищенности площади между молниеотводами на уровне h_x является:

D ≤ 8(h- h_x). (5)

При произвольном расположении молниеотводов условие защищенности на высоте h_x должно быть проверено для каждой тройки ближайших друг к другу молниеотводов в отдельности. При этом h_x должно быть меньше h₀, определенной для каждой отдельно взятой пары молниеотводов.

Если высота молниеотводов h = 30÷100 м, то условием защищенности объекта высотой h_x будет:

D ≤ 8(h- h_x)p (6)

Зона защиты тросового молниеотвода показана на рис. 5. Сечение зоны защиты в плоскости, перпендикулярной тросу, строится так же, как и

Рис. 5. Зона защиты тросового молниеотвода.

для стержневого молниеотвода, с той лишь разницей, что ширина зоны на поверхности земли для тросового молниеотвода, подвешенного на высоте h ≤ 30 м, равна 1,2h. Половина ширины зоны защиты на уровне определяется как

). (7)

На уровне половина ширины зоны защиты составляет:

). (8)

Рис. 6. Зона защиты двух параллельных тросов.

Внешняя часть зоны защиты двух параллельных тросовых молниеотводов (рис. 6) определяется так же, как и для одиночного троса. Внутренняя часть ограничена поверхностью, которая в сечении плоскостью, перпендикулярной тросам, дает дугу окружности. Эта дуга может быть построена по трем точкам: две из них - тросы, а третья расположена посередине между тросами на высоте

(9)

В практике молниезащиты иногда целесообразно бывает использовать два молниеотвода разной высоты. Построение сечений зон защиты стержневых и тросовых молниеотводов производится в этом случае аналогично (рис. 7). Сначала строится зона защиты более высокого молниеотвода 1. Затем через вершину молниеотвода меньшей высоты проводится горизонтальная линия до пересечения в точке 3 с зоной защиты молниеотвода 1. Считая, что вершина некоего фиктивного молниеотвода совпадает с точкой пересечения 3, строится зона защиты для молниеотводов 2 и 3, имеющих одинаковую высоту h₂ и расположенных друг от друга па расстоянии а'. Величина h₀ определяется по формулам (4) или (9) в зависимости от типа молниеотвода.

Рис. 7. Зона защиты молниеотводов разной высоты

Если требуется защитить объект, расположенный на местности со значительным уклоном, то зону защиты молниеотвода, установ­ленного на склоне, можно построить спо­собом, который показан на рис. 8. Молниеотвод участвует в процессе разряда только своей верхней точкой, а поверхность земли в первом приближении может быть принята за плоскость нулевого потенциала, поэтому зона защиты строится относительно перпендикуляра высотой h’ опущенного из вершины молниеотвода на поверхность земли. Зона защиты молниеотвода вниз по склону оказывается уменьшенной, а вверх по склону — увеличенной.

Рис. 8. Построение зоны защиты молниеотвода, установленного на местности с уклоном