Зона защиты и защитное действие молниеотвода

Далее дано пояснение порядку определения зон, защищаемых молниеотводом, для чего необходимо использовать содержащиеся в приложении 3 РД 34.21.122-87 формулы.

Защитное действие любого молниеотвода построено на особенности молнии, поражать объекты большей высоты, не обращая внимания на более низкие строения. Поэтому молниеотвод превосходит по высоте защищаемые объекты и его основная функция это перехват молний, которые с большой вероятностью при условии его отсутствия поразили бы защищаемый объект. Количественный показатель возможностей защиты молниеотвода определяется как отношение количества ударов молнии непосредственно в молниеотвод к количеству ударов молнии в сам молниеотвод и защищаемый им объект, т. е. таким образом, определяется вероятность прорыва молнии.

В настоящее время для оценки вероятности прорыва используют несколько различных способов, в основе которых лежат разные представления о процессах, происходящих при поражении молнией. РД 34.21.122-87 содержит результаты расчетов с использованием вероятностной методики расчета, которая связывает возможную вероятность перехвата молнии молниеотводом и вероятность поражения объекта с разбросом молнии по нисходящей траектории, при этом вариации ее токов в учет не принимаются.

Согласно предложенной модели идеальной защиты от прямых ударов, которая исключает прорывы, не бывает. При этом на практике молниеотвод и защищаемый этим молниеотводом объект могут быть расположены таким образом, что вероятность прорыва будет составлять всего 0,1-0,01, а это уменьшает количество поражений объекта соответственно в 10 и 100 раз, если сравнивать его с незащищенным. Большинство современных объектов при подобных условиях защиты за весь свой срок эксплуатации получает совсем небольшое количество прямых ударов.

Так, если рассмотреть здание, высота которого равна 20 м, а его размеры составляют 100х100 м, которое расположено в  районе с общей продолжительностью гроз в пределах 40-60 часов в год, то при вероятности прорыва 0,1 возможен прямой удар молнии в задние примерно один раз в течение 50 лет. При этом необходимо учитывать, что прорывы имеют разную степень опасности, например, воспламенение происходит только при условии наличия достаточно больших токов или при наличии переносимых зарядов, которые присутствуют далеко не всегда. Исходя из этого, объект с подобной защитой может подвергаться опасному воздействию один раз за достаточно большой срок, который для объектов II и III категории превышает срок их эксплуатации. Если же степень вероятности прорыва равна 0,01, то объект может получить одно опасное воздействие примерно в течение 500 лет, что в любом случае превышает срок эксплуатации всех существующих объектов промышленного назначения. Как правило, такой уровень защиты имеют только объекты, относящиеся к I категории, опасность взрыва на которых существует постоянно. 

Если провести серию расчетов определяя вероятность прорыва в зоне действия молниеотвода можно без проблем построить поверхность, при расположении в которой вершин объектов вероятность прорыва будет постоянной. Такая поверхность обозначается как внешняя граница зоны защиты молниеотвода, при этом для одиночного молниеотвода стержневого типа границей является боковая поверхность конуса, а для одиночного молниеотвода тросового типа это плоская двускатная поверхность.

В большинстве случаев зона обозначается по значению максимальной вероятности прорыва, которая соответствует ее внешней границе, при этом в глубине зоны защиты  вероятность прорыва в разы меньше.

Использование расчетного метода дает возможность построить для молниеотводов стержневого и тросового типа зону защиты с заданным значением вероятности прорыва, а это дает возможность для каждого из молниеотводов строить различное  количество зон защиты. При этом в большинстве случаев необходимый уровень защиты обеспечивается при использовании зон с вероятностью прорыва равной 0,1 и 0,01.

Если коснуться терминов, использующихся в теории надежности вероятности прорыва то это характеристика, которая связана с возможностью отказа молниеотвода как защитного устройства. Если рассматривать зоны защиты с этой точки зрения, то степень их надежности соответственно будет равна 0,9 и 099. Даная оценка надежности будет наиболее точно оценивать надежность при расположении объекта непосредственно около границы защитной зоны, к примеру, это может быть объект, имеющий форму кольца, которое соосно с молниеотводом стержневого типа. При этом на практике у границы зоны расположены только верхние элементы, а все остальное расположено в глубине защитной зоны. Если оценивать надежность защитной зоны по ее внешним границам, то все получаемые значения будут сильно занижены. В связи с этим, а также в связи с необходимостью учета взаимного расположения как объектов, так и молниеотводов зонам А и Б присвоены значения надежности 0,995 и 0,95 в соответствии с РД 34.21.122-87.

Рис. 1. Номограммы используемые для определения необходимой высоты как одиночных (а), так и двойных одинаковой  высоты (б) молниеотводов, расположенных в зоне А

Данный метод расчета может быть использован только для расчета молний с нисходящей траекторией, которые поражают в основном объекты не выше 150 м. В связи с этим формулы в РД 34.21.122 – 87, которые используются для построения защитных зон, как одиночных, так и многократных молниеотводов стержневого и тросового типа имеют ограничение по высоте в 150 м.

В настоящее время данные по поражению объектов большой высоты нисходящими молниями достаточно скудны и, как правило, все имеющиеся данные касаются телевизионной башни Останкино, высотой 540 м. Изучив снимки данных событий можно увидеть, что молнии с нисходящей траекторией прорываются на 200 м и более ниже высоты вершины башни и поражение земли происходит примерно на высоте в 200 м непосредственно от основания самой башни. Если представить Останкинскую башню в качестве молниеотвода стержневого типа, то можно отметить, что защитная зона при высоте молниеотвода более 150 м практически не сокращается при дальнейшем увеличении его высоты. При этом в связи с отсутствием необходимо количества данных о взаимодействии молний со сверхвысокими объектами в РД 34.21.122 – 87 внесены формулы, позволяющие произвести расчет только молниеотводов стержневого типа при их высоте более 150 м.

Рис. 2. Номограммы используемые для определения необходимой высоты как одиночных (а), так и двойных одинаковой высоты (б) молниеотводов, расположенных в зоне Б

В настоящее время не существует метода, позволяющего провести расчет защитной зоны при поражении объекта молнией с восходящей траекторией. При этом доподлинно известно, что подобные разряды возникают на остроконечных вершинах, которые расположены в непосредственной близости от вершин высотных сооружений. В связи с этим для объектов типа высоких ж/б дымовых труб и им подобных в первую очередь предусматривается наличие защиты, позволяющей избежать механического разрушения бетона в результате образования восходящей молнии, что возможно при установке молниеприемников стержневого или кольцеобразного типа с максимально возможным превышением над объектом.

Выше были приведены номограммы используемые для определения необходимых высот как стержневых С, так и тросовых Т молниеотводов, которые могут быть как одиночными, так и двойными и обеспечивающих защиту объекта в зонах А и Б. Использование номограмм, в которых были заложены формулы и обозначения согласно приложению 3 РД 34.21.122-87 дает возможность существенно сократить объем производимых вычислений и упростить порядок выбора необходимых для защиты средств.