Наступил грозовой сезон, который продлится до конца осени. Ливень, гроза, порывы ветра и вспышки молнии… Неуправляемое буйство стихии всегда вызывало в человеке ужас. Удар молнии способен убить человека, разрушить здание или вывести из строя дорогостоящее оборудование.
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, и в итоге их количество 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.
Так ли нужна молниезащита?
Воздействия молнии традиционно разделяют на первичные (вызванные прямым ударом молнии) и вторичные (индуцированные близким ударом молнии или занесенные по внешним коммуникациям).
Прямой удар молнии (непосредственный контакт канала молнии с объектом) может вызвать следующие воздействия:
- термические – опасность возгорания или проплавления,
- механические – ударная волна или электродинамические воздействия,
- электрические – поражение током людей и животных, выход из строя электрической и электронной аппаратуры.
Вторичные последствия удара молнии непосредственно в объект или вблизи него вызывают перенапряжения внутри объекта или опасное искрение, которые, в свою очередь, зачастую являются причиной пожаров.
Согласно собранной ООО «Электра» статистике, за период с 2018 по 2022 годы в России произошел 3901 пожар, причиной которых явился удар молнии (грозовой разряд), в которых погибло 15 человек и 29 человека было травмировано, смотри таблицу 1.
К сожалению, 2023 год не стал исключением – уже 15 мая в городе Нурлат (Татарстан) жилой дом загорелся после удара молнии, гибели и травм людей удалось избежать.
Каждый пожар, не говоря уже о травмировании и гибели людей – не просто несчастный случай, но и дополнительные расходы как владельцев пострадавших объектов (в большинстве случаев значительно превышающие стоимость системы молниезащиты), так и средств федерального и региональных бюджетов.
В грозовой период, помимо пожаров, новости пестрят информацией о погибших и пострадавших от удара молнии. Так, только в 2021 году таких случаев насчитывается 34 (18 человек погибло), в 2022 году – 30 случаев (11 погибших). Молния не щадит и домашних животных на фермах, в конюшнях и пасущихся в поле.
Выводы может сделать каждый.
Что такое система молниезащиты?
Молниевые разряды между грозовым облаком и Землей представляют собой наибольшую опасность для людей и животных, зданий и сооружений, энергетических объектов и коммуникаций, а также электронной аппаратуры.
Наиболее эффективным способом борьбы с прямым ударом молнии и ее вторичными проявлениями, было и остается применение системы внешней молниезащиты (другое популярное название - молниеотвод), назначение которой – переориентирование от защищаемого объекта и непосредственный прием прямого удара молнии, распределение и рассеяние тока молнии в земле, а также предупреждение прорыва тока молнии в объект и защита от импульсных перенапряжений (внутренняя молниезащита). Система молниезащиты всегда состоит из трех основных компонентов: молниеприемник, токоотводы и заземлитель.
Необходимость устройства молниезащиты зданий, сооружений и территорий определены «Техническим регламентом о требованиях пожарной безопасности» как один из способов предупреждения пожаров, а также иными законодательными нормами Российской Федерации в области пожарной безопасности.
Традиционно для молниезащиты (грозозащиты) использовались проверенные практикой «классические» стержневые и тросовые молниеотводы, подтвердившие свою работоспособность на протяжении двух с половиной веков, а также молниеприемная сетка.
Как работает система молниезащиты?
Образование молнии начинается с формирования нисходящего (от облака в направлении Земли) лидера, представляющего собой проводящий плазменный канал. Продвигающийся к земле 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.
Роль системы молниезащиты, с точки зрения развития восходящего лидера, заключается в формировании устойчивого восходящего лидера с вершины молниеприемника раньше, чем с любых элементов защищаемого 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.
Приняв удар молнии, система молниезащиты по подключенным к молниеприемнику токоотводам отводит ток молнии к заземлителю для рассеяния тока молнии в земле.
Действующие нормативы
Ключевым понятием в молниезащите является определение «зоны защиты» как области пространства, с определенной надежностью защищенной молниеотводом от попадания прямых ударов молнии.
Объект считается защищенным с заданной надежностью от прямого удара молнии, если целиком располагается внутри зоны защиты молниеотвода, как показано на рисунке 1.
В настоящее время в России, помимо отраслевых нормативов, действуют три нормативных документа по определению зон защиты молниеотводов. Это – «Руководящие указания по расчету зон защиты стержневых и тросовых молниеотводов» РД 34.21.121-72, «Инструкция по устройству молниезащиты зданий и сооружений» РД 34.21.122-87 и «Инструкция по устройству молниезащиты зданий, сооружений и промышленных коммуникаций» СО 153-34.21.122-2003. Данные документы существенно отличаются друг от друга как конфигурацией, так и способами расчета размеров зон защиты молниеприемников. При этом одновременное действие трех нормативных документов по молниезащите привносит путаницу и затрудняет работу проектировщиков систем молниезащиты.
Кроме того, расчет для всех трех действующих на сегодняшний день нормативов показал, что размеры зоны защиты на уровне половины высоты молниеотвода различаются более чем на 42%, что недопустимо для необходимой точности расчетов [1].
Еще большую сумятицу внесло появление в 2021 году ГОСТ Р 59789-2021 «Молниезащита. Защита зданий и сооружений от повреждений и защита людей и животных от электротравматизма», представляющего собой перевод на русский язык устаревшего стандарта IEC 62305-3-2010 «Protection against lightning – Part 3: Physical damage to structures and life hazard», более чем 10-летней давности.
Активные молниеприемники, МОЭС
В последние 25 лет стали популярны так называемые «активные» молниеприемники, обладающие более высокой степенью надежности и расширенной зоной защиты.
Момент начала формирования на вершине молниеприемника восходящего лидера соответствует началу ориентировки молнии к молниеотводу. Известно, что в условиях конкурирующего развития восходящих лидеров от элементов объекта и молниеприемников, опередивший (более ранний) лидер подавляет возникновение остальных.
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 (далее – МОЭС, английский вариант названия – ESEAT (Early Streamer Emission Air Terminal, распространенное название в России – «Активный молниеприемник»).
Краткое описание принципа действия МОЭС
Рассмотрим принцип действия МОЭС на примере молниеприемников «Forend» производства турецкой компании «Forend Elektrik A.S.».
Основой данного МОЭС является генератор высоковольтных импульсов, расположенный в корпусе с острием. Такое устройство монтируются на здании, сооружении или отдельно стоящей мачте и обеспечивает защиту от прямого удара молнии для всех объектов расположенных в зоне защиты.
При возникновении определенных условий, за счет разницы потенциалов между окружающим полем и поверхностью земли, генератор начинает вырабатывать высоковольтные импульсы. Как следствие, за доли секунды до разряда молнии на острие молниеприемника начинается эмиссия заряженных частиц (стримерная вспышка) и образуется восходящий разряд – лидер с зарядом, противоположным заряду грозового облака. При этом для работы устройства 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» (стержень, трос, сетка) молниеприемником, в результате чего перехват нисходящего лидера молнии осуществляется раньше. Как следствие, увеличивается размер зоны защиты наземных объектов. В результате удается обойтись меньшим количеством молниеприемников и токоотводов и/или меньшей высотой установки МОЭС.
Размеры зоны защиты МОЭС позволяют уменьшить, по сравнению с классическими «пассивными» системами молниезащиты, общее количество молниеприемников на протяженных территориях и крупных объектах и снизить объем и общую стоимость материалов и работ при их монтаже и ежегодном техническом обслуживании.
Системы молниезащиты МОЭС установлены на множестве объектов. Среди них – аэропорты, крупные предприятия, стадионы, школы, торговые центры, музеи и т.п. Активный молниеприемник защищает самое высокое (828 метров) здание мира – небоскреб Бурдж-Халифа в Дубае (ОАЭ). За все время не было зарегистрировано ни одного факта прорыва молнии в зону защиты МОЭС.
Подробнее о продукции компании «Forend» можно узнать на официальном сайте. Сотрудники ООО «Электра» всегда готовы оказать помощь в правильном выборе, приобретении и монтаже систем молниезащиты.
Удачное расположение складов позволяет минимизировать сроки доставки продукции в любую точку России.
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 ООО «Электра», как одним из разработчиков ГОСТ 34696-2020, разработана «Инструкция по защите от прямого удара молнии зданий, сооружений и открытых территорий системами с опережающей эмиссией стримера. Проектирование, монтаж, эксплуатация и техническое обслуживание». Данная «Инструкция …» представляет собой собственный аутентичный технический перевод на русский язык стандарта Франции NF C 17-102 (редакция от сентября 2011 года) с французского и английского языков.
Применение данной «Инструкции …» на территории Российской Федерации рекомендовано письмом СЦНТИ РЭА Министерства энергетики Российской Федерации от 22.09.2020 № 46. Данные документы доступны на сайте в разделе «Молниезащита».
Оптимальное решение
Безусловно, молниеприемники МОЭС не смогут полностью заменить традиционные, проверенные сотнями лет, стержневые и тросовые молниеприемники. Оба продукта должны сосуществовать одновременно, и применение того или иного должно обуславливаться, прежде всего, эффективностью защиты и целесообразностью финансовых затрат.
Экономическая оценка проекта зачастую наиболее важна для заказчика, и является определяющим фактором 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 2 токоотвода на каждый МОЭС. В то же время, при использовании классических «пассивных» молниеприемников, большее количество вертикальных (по стенам здания) токоотводов способствует более равномерному распределению тока молнии и стабильности электромагнитной обстановки внутри здания.
Окончательное решение о типе устанавливаемой системы молниезащиты остается за потребителем.
Литература
1. Ротанов А. /Эволюция российских зон молниезащиты// Вести в электроэнергетике, № 2 (112), 2021
