Введение
Вопрос защиты от прямых ударов молнии становится актуальнее с каждым днем. Согласно прогнозам, увеличение числа гроз (грозовой активности) связано с потеплением климата и растет на 10 % на каждый градус, (по другим данным — увеличивается на 12 ±5 % на каждый градус) глобального потепления и в итоге возрастет примерно на 50 % в течение этого столетия.
Опасность молнии и необходимость защиты от нее людям известна с древности. Если ещё в относительно недавние времена основной опасностью удара молнии были пожары и физические повреждения зданий, вызванные ее термическим и механическим воздействием, то развитие электронной техники и всеобщая цифровизация жизни закономерно ставят дополнительный вопрос защиты электронной аппаратуры от импульсных перенапряжений, вызванных воздействием молнии.
Статистика
Согласно собранной компанией «Электра» статистике, за период с 2014 по 2020 годы в России произошло 4375 пожаров, причиной которых явился удар молнии (грозовой разряд). В них погибло 19 человек и 44 получили травм различной степени тяжести. При этом по сравнению с 638 случаями в 2019 году, количество таких пожаров в 2020 году увеличилось на 153 (24 %) и составило 791.
Каждый такой инцидент — не просто несчастный случай, но ещё и дополнительные расходы как владельцев пострадавших объектов (в большинстве случаев значительно превышающие стоимость системы молниезащиты), так и средств федерального и областных бюджетов.
В грозовой период новости пестрят информацией о погибших и пострадавших от удара молнии. К примеру, только в 2020 году таких случаев насчитывается более 27, в 2021 году — уже 5. Молния не щадит и домашних животных — на фермах, в конюшнях и пасущихся в поле. Только за 2020 год в разных регионах России погибли более 100 животных.
Необходимость молниезащиты
Наиболее эффективным способом борьбы с прямым ударом молнии и ее вторичными проявлениями было и остается применение систем молниезащиты, назначение которых — переориентирование от защищаемого объекта и непосредственный прием прямого разряда, распределение и рассеяние тока молнии в земле. Они состоят из внешней молниезащиты или молниеотвода, включающего в себя молниеприемник, токоотвод и систему заземления, и внутренней — УЗИП, предупреждающие прорыв тока молнии в объект.
Необходимость устройства молниезащиты зданий, сооружений и оборудования определены Федеральным законом от 22.07. 2008 № 123-ФЗ «Технический регламент о требованиях пожарной безопасности» как один из способов предупреждения пожаров и иными законодательными нормами Российской Федерации в области пожарной безопасности.
Традиционно для молниезащиты (грозозащиты) использовались проверенные практикой классические стержневые и тросовые молниеотводы, а также молниеприемная сетка.
Немного истории
Сегодня считается, что молниеотвод изобрел Бенджамин Франклин. Более 250 лет назад, в 1752 году, он экспериментально доказал электрическую природу молнии и предложил способ защиты от нее с помощью заземленного металлического стержня.
Самый старый в мире молниеотвод, из известных сохранившихся, находится в России, на построенной в первой половине 18-го века знаменитой Невьянской башне в городе Невьянск Свердловской области.
На вершине башни расположен заземленный, через каркас здания, металлический шпиль с покрытым шипами металлическим шаром и расположенным чуть ниже флюгером, на котором выбит дворянский герб Демидовых. Разные источники называют даты окончания постройки башни между 1721 и 1742 годами, то есть, как минимум за 10 лет до изобретения молниеотвода Франклином.
Действующие нормативы
На сегодняшний день в России действуют три основных нормативных документа по традиционной или классической/пассивной молниезащите:
- РД 34.21.121-74 «Руководящие указания по расчету зон защиты стержневых и тросовых молниеотводов»,
- РД 34.21.122-87 «Инструкция по устройству молниезащиты зданий и сооружений»,
- СО 153-34.21.122-2003 «Инструкция по устройству молниезащиты зданий, сооружений и промышленных коммуникаций».
Совместное применение последних двух наиболее часто используемых в практике современной молниезащиты определено письмом Ростехнадзора от 01.12.2004 № 10-03-04/182. Этими нормативными документами определен порядок проектирования, монтажа, эксплуатации и технического обслуживания классических систем пассивной молниезащиты — тросовых, стержневых и сетчатых.
Важнейшей характеристикой любых систем молниезащиты является надежность защиты от прямого удара молнии, то есть величина, определяемая как 1-Р, где Р — вероятность прорыва в процентах прямого удара молнии к объекту, находящемуся в пределах зоны защиты молниеотвода.
Таблица 1. Надежность защиты от прямого удара молнии определена СО 153-34.21.122-2003
| Уровень защиты | Надежность защиты |
|---|---|
| I | 0,98 |
| II | 0,95 |
| III | 0,90 |
| IV | 0,80 |
Зоны защиты классических молниеотводов
Наиболее распространены в мировой практике стержневые молниеотводы, отлично защищающие различные объекты на протяжении более чем 260 лет. Зоной защиты одиночного стержневого молниеотвода, согласно РД 34.21.122-87 и СО 153-34.21.122-2003 является конус с прямолинейной образующей. Вершина конуса находится на оси молниеотвода и расположена ниже вершины молниеприемника.
Размеры зоны защиты (высота и радиус защиты на уровне земли) зависят от заданной надежности защиты и от высоты молниеотвода. Добавим, что эта зависимость — линейная (см. схему ниже).
Объект считается защищенным с заданной надежностью от прямого удара молнии, если целиком располагается внутри зоны защиты молниеотвода.
Зона защиты одиночного тросового молниеотвода в данных нормативах рассчитывается как зона защиты большого количества стержневых молниеотводов, расположенных в линию заданной длины.
Кроме того, в СО 153-34.21.122-2003 определена возможность проектирования зон защиты молниеотводов по защитному углу или методом катящейся сферы согласно стандарту Международной электротехнической комиссии (IEC 62305) при условии, что расчетные требования Международной электротехнической комиссии оказываются более жесткими. При этом, в отличие от РД 34.21.122-87 и СО 153-34.21.122-2003, высота молниеотвода определяется от горизонтальной поверхности, которая будет защищена.
Активные молниеприемники МОЭС
В последние 25 лет стали популярны так называемые «активные» молниеприемники, обладающие более высокой степенью надежности и расширенной зоной защиты.
Для справки
Образование молнии начинается с формирования нисходящего от облака в направлении Земли лидера, представляющего собой проводящий плазменный канал. В настоящее время считается, что зарождение лидера в грозовом облаке не зависит от наличия на поверхности земли каких-либо объектов (неровностей рельефа, строительных конструкций и т. п.).
Продвигающийся к земле нисходящий ступенчатый лидер молнии инициирует появление и развитие направленных к грозовому облаку встречных (восходящих) лидеров как с наземных объектов: элементов крыши, архитектурных форм, оборудования на крыше и стенах и т. п., так и с установленных молниеприемников. Соприкосновение одного из них с нисходящим лидером определяет место удара молнии в землю или какой-либо объект.
Исходя из этого, роль системы молниезащиты, с точки зрения развития восходящего лидера, заключается в формировании устойчивого восходящего лидера с вершины молниеприемника раньше, чем с любых элементов наземного объекта. Являясь основным элементом системы молниезащиты, в функцию которого как раз и входит инициация и развитие устойчивого восходящего лидера ранее, чем от элементов объекта, молниеприемник должен создавать для этого оптимальные условия. Известно, что в условиях конкурирующего развития восходящих лидеров от элементов объекта и молниеприемников, более ранний устойчивый лидер подавляет возникновение остальных. Момент начала формирования на вершине молниеприемника восходящего лидера соответствует началу ориентировки молнии к молниеприемнику. Задачу опережающего формирования восходящего лидера от молниеприемника ранее чем от элементов защищаемого объекта с успехом решают системы защиты от прямого удара молнии с использованием молниеприемников с опережающей эмиссией стримера или, если кратко, МОЭС (англ. ESEAT — Early streamer emission air terminal). Другое распространенное название в России — активный молниеприемник.
Принцип действия МОЭС. Кратко
Рассмотрим принцип действия МОЭС на примере молниеприемников Forend производства турецкой компании Forend Elektrik A. S. В этом случае основой МОЭС является генератор высоковольтных импульсов, расположенный в корпусе с острием. Такое устройство монтируются на здании, сооружении или отдельно стоящей мачте и создает зону защиты от прямого удара молнии для всех объектов, в том числе, антенн и архитектурно-ландшафтных объектов кровли.
При возникновении определенных условий за счет разницы потенциалов между нисходящим лидером и поверхностью земли, генератор начинает вырабатывать высоковольтные импульсы. Как следствие, за доли секунды до разряда молнии на острие молниеприемника начинается эмиссия заряженных частиц и возникает стримерная вспышка, образующая встречный восходящий разряд — лидер с зарядом, противоположным заряду грозового облака. При этом для работы генератора не требуется использование внешнего источника питания. В ряде моделей МОЭС использованы поддерживающие ионизацию активные и пассивные электроды.
За счет принудительной генерации, опережающей стримерной вспышки и формирования восходящего лидера, увеличивается эффективная высота МОЭС по сравнению с классическим пассивным молниеприемником, в результате чего перехват нисходящего лидера молнии осуществляется раньше. Как следствие, увеличивается размер зоны защиты наземных объектов. В результате, при прочих равных, с классическими «пассивными» системами, условиях, удается обойтись меньшим количеством молниеприемников и токоотводов и/или меньшей высотой установки МОЭС.
Элементы системы молниезащиты
Система молниезащиты с МОЭС аналогична классическим пассивным системам и включает в себя элементы, указанные на рисунке ниже.
Примечание
Соединение токоотвод-заземлитель, а также горизонтального и вертикального заземлителей должно выполняться в смотровом (инспекционном) колодце.
Технические характеристики МОЭС
Корпус активной молниезащиты, как правило, изготовлен из нержавеющей стали, что позволяет обеспечить устойчивость к коррозии. Аэродинамическая конструкция МОЭС позволяет, как и классическим стержневым молниеприемникам, с успехом противостоять давлению ветра при грозе.
Зоны защиты МОЭС
Основной характеристикой МОЭС является время опережения — ΔT, измеряемая в микросекундах. Другими словами, это разница во времени инициирования устойчивого восходящего лидера от МОЭС ранее, чем от «пассивного» молниеприемника аналогичной высоты. Этот параметр определяется экспериментально для каждого типа молниеприемника при моделировании реальных условий грозовой деятельности в лаборатории высокого напряжения.
Выбор конкретной модели МОЭС зависит от характеристик защищаемого объекта, требуемого уровня защиты, радиуса зоны защиты и высоты установки молниеприемника. Радиус (Rp) защиты МОЭС зависит от времени опережения (ΔT) и высоты (h) его установки.
Таблица 2. Зависимость радиуса защиты МОЭС от основных его характеристик
| Rp, м | T= 30 мкс | T = 45 мкс | T = 60 мкс | |||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| h, м | уровень 1 | уровень 2 | уровень 3 | уровень 4 | уровень 1 | уровень 2 | уровень 3 | уровень 4 | уровень 1 | уровень 2 | уровень 3 | уровень 4 |
| 2 | 19 | 22 | 25 | 28 | 25 | 28 | 32 | 36 | 31 | 35 | 39 | 43 |
| 4 | 38 | 44 | 51 | 57 | 51 | 57 | 64 | 72 | 63 | 69 | 78 | 85 |
| 5 | 48 | 55 | 63 | 71 | 63 | 71 | 81 | 89 | 79 | 86 | 97 | 107 |
| 6 | 48 | 55 | 64 | 72 | 63 | 71 | 81 | 90 | 79 | 87 | 97 | 107 |
| 8 | 49 | 56 | 65 | 73 | 64 | 72 | 82 | 91 | 79 | 87 | 98 | 108 |
| 10 | 49 | 57 | 66 | 75 | 64 | 72 | 83 | 92 | 79 | 88 | 99 | 109 |
| 20 | 50 | 59 | 71 | 81 | 65 | 74 | 86 | 97 | 80 | 89 | 102 | 113 |
| 30 | 50 | 60 | 73 | 85 | 65 | 75 | 89 | 101 | 80 | 90 | 104 | 116 |
| 60 | 50 | 60 | 75 | 90 | 65 | 75 | 90 | 105 | 80 | 90 | 105 | 120 |
Как видно из приведенной таблицы, оптимальным, с точки зрения размеров зоны защиты и финансовых затрат, является установка МОЭС на высоте 6 метров над самой верхней точки защищаемого объекта. Радиус защиты, который в отдельных случаях может доходить до 107 метров, МОЭС позволяет одним молниеприемником обеспечить защиту площади до 36 тыс. кв. м с большей надежностью, чем классические виды пассивных молниеотводов. При необходимости защиты здания большей площади можно использовать 2-3 таких молниеприемника.
Количество молниеприемников
Сравним зоны защиты МОЭС Forend EU (ΔT=60 мкс) с зоной защиты стержневого молниеотвода. Радиус защиты данного устройства на 6-метровой мачте составляет 97 метров для III уровня защиты (наиболее распространен). В то же время рассчитанный по защитному углу стандарта IEC 62305-3:2010 для стержневого молниеприемника той же высоты (высота мачты+высота корпуса МОЭС=6,5 метров) радиус зоны защиты составит 15,3 метра (угол при вершине α=67о).
Для защиты здания размерами 48×180 метров необходимо использовать либо один расположенный в центре крыши здания активный молниеприемник, либо двадцать классических стержневых молниеприемников той же высоты.
Еще более наглядно выглядит пример защиты нескольких близко расположенных зданий. Так, для защиты сооружений, стоящих неподалёку друг от друга, размеры одного из которых 48×90, а другого — 48×160, достаточно всего одного МОЭС типа Forend EU либо тридцать восемь классических стержневых молниеприемников той же высоты.
Размеры зоны защиты МОЭС позволяют уменьшить по сравнению с классическими пассивными системами молниезащиты общее количество молниеприемников на протяженных территориях и крупных объектах, а также снизить объем и общую стоимость материалов и работ при их возведении и ежегодном техническом обслуживании.
Перспективы
В конце 2020 года принят межгосударственный стандарт по системам молниезащиты с опережающей эмиссией стримера — ГОСТ 34696-2020 «Системы молниезащиты с опережающей эмиссией стримера. Технические требования и методы испытаний», определяющий порядок применения указанных систем. Есть надежда, что данный норматив вскоре будет введен в действие на территории России.
В настоящее время компанией «Электра», как одной из разработчиков ГОСТ 34696-2020, создана «Инструкция по защите от прямого удара молнии зданий, сооружений и открытых территорий системами с опережающей эмиссией стримера. Проектирование, монтаж, эксплуатация и техническое обслуживание». Документ представляет собой переработанный и дополненный собственный аутентичный технический перевод на русский язык стандарта Франции NF C 17-102 (редакция от сентября 2011 года) с французского и английского языков. Одновременно использованы применимые для МОЭС общие положения, термины, определения, требования и методы испытаний из государственных стандартов ГОСТ Р, распространяющихся на классические пассивные системы молниезащиты.
Применение упомянутой выше инструкции на территории Российской Федерации рекомендовано письмом СЦНТИ РЭА Министерства энергетики Российской Федерации от 22.09.2020 № 46.
Оптимальное решение
При проектировании молниезащиты необходимо сочетание эффективности защиты и экономичности проекта. При этом финансовая составляющая зачастую наиболее важна для заказчика, и является определяющим параметром в выборе между различными проектными решениями при прочих равных условиях.
Оптимальный выбор молниеприемников и их расположение на защищаемом объекте позволит также снизить затраты на прочие материалы (токоотводы в первую очередь) и земляные работы при устройстве заземления молниезащиты. Так, для отвода тока молнии в случае применения МОЭС необходимо всего два токоотвода на каждый из них. В то же время, при использовании классических пассивных молниеприемников, большее количество вертикальных, расположенных по стенам здания, токоотводов и грамотная конструкция заземлителей способствует более равномерному распределению тока молнии и стабильности электромагнитной обстановки внутри здания.
Безусловно, молниеприемники МОЭС не смогут полностью заменить традиционные, проверенные сотней лет, стержневые и тросовые молниеотводы. Оба продукта должны сосуществовать одновременно, а применение того или иного должно обуславливаться, прежде всего, эффективностью и целесообразностью финансовых затрат на защиту от риска прямого удара молнии.
