Защита от поражений. Методы защиты.

lightning protection 6

Для предотвращения поражения молнией проектируется и монтируется система молниезащиты. На сегодняшний день различают пассивную (классическую) и активную молниезащиту.

Принцип действия классической молниезащиты основан на предложении Бенджамина Франклина: молниеприемники принимают разряды молнии из грозовой тучи, молниеотводы или токоотводы отводят его к системе заземления, а она, в свою очередь, обеспечивает равномерное растекание тока в грунте. То есть, система срабатывает только в том случае, когда молния ударяет в защищаемый объект. В случае применения активной молниезащиты, молниеприемники как-бы пытаются «перехватить» на себя разряд молнии, инициируя встречные лидеры. Такой системе молниезащиты приписывают большие радиусы зоны защиты от поражения молнией. Но практических доказательств этого никто не привел! Все испытания демонстрировали, что активный молниеприемник просто выдерживает удар молнии силой тока до 100 кА. По большому счету, активная система работает так же, как и классическая, просто в ней молниеприемники в десятки (40-60) раз дороже.

Из самых последних предложений ученых по защите от поражения молнией предлагают и такие варианты: направлять навстречу грозовой туче мощную струю жидкости или луч лазера, которые выполнят роль молниеприемника и молниеотвода, остается только направить ток молнии к системе заземления. Теоретически это возможно, дело за технической реализацией.
Предлагается в качестве жидкости использовать солевой раствор, в который добавлены жидкие полимеры: соль предназначена для увеличения электропроводности, а полимер препятствует распаду струи на отдельные капельки. Диаметр струи составит около сантиметра, а максимальная высота – 300 метров. Когда жидкий громоотвод доработают, им оснастят спортивные и детские площадки, где фонтан включится автоматически, когда напряженность электрического поля станет достаточно высокой, а вероятность удара молнии – максимальной. По струе жидкости с грозового облака будет стекать заряд, делая молнию безопасной для окружающих. Аналогичную защиту от разряда молнии можно сделать и с помощью лазера, луч котрого, ионизируя воздух, создаст канал электрического разряда вдали от скопления людей.

И все-таки, главная задача человечества – это использовать мощность молний. Вот что пишут СМИ об исследованиях китайских ученых: китайские ученые разработали технологию использования энергии молнии в научных и промышленных целях. Новая разработка позволяет захватывать молнию в воздухе и перенаправлять ее в коллекторы на земле для исследований и использования, – сообщил сотрудник института атмосферной физики Це Сюшу. Для захвата молнии будут использоваться оснащенные специальными громоотводами ракеты, которые будут запускать в центр грозового облака. Ракета "YL-1" должна стартовать за несколько минут до удара молнии."Проверки показали, что точность запусков составляет 70%", – сообщили разработчики аппарата. Энергия молнии, а также производимое ей электромагнитное излучение будут использоваться для генной модификации сельскохозяйственных пород и производства полупроводников. Кроме того, новая технология позволит значительно снизить экономический ущерб от гроз, поскольку разряды будут уходить в безопасные места. По статистике, в КНР от удара молнии ежегодно гибнет около 1 тыс. человек. Экономический ущерб от гроз в Китае достигает $143 млн. в год. Исследователи также пытаются найти способ использования молний в энергетике. По данным ученых, один разряд молнии производит миллиарды киловатт электричества. По всему миру каждую секунду происходит 100 ударов молний – это огромный источник электроэнергии. Если научиться аккумулировать и использовать эту электроэнергию, то у человечества отпали бы проблемы с энергообеспечением.

Классическая система молниезащиты.

Главным назначением молниезащиты является создание условий, при которых система принимает разряд молнии, отводит его от объекта и защищает от вторичных воздействий разрядов. Полная защита представляет собой комплекс внешних и внутренних мероприятий, направленных на минимизацию последствий порождаемых молниями. Эти мероприятия так и называют внешней и внутренней молниезащитой.
На типовом жилом доме с коньковой крышей они схематически представляются следующим образом:

lightning_protection_scheme
Цифрами обозначено:
1 – молниеприемник; 9 – хомуты для водосточных труб;
2 – кровельный держатель проволоки для коньковой черепицы; 10 – магнитная карточка регистрации количества разрядов и силы тока разряда молнии;
3 – круглый провод молниеприемной сетки; 11 – расстояние между хомутами;
4 – кровельные держатели проволоки; 12 – разделительные вставки (соединители);
5 – соединитель быстрого монтажа Vario; 13 – изолированная штанга;
6 – крепление для водосточного жолоба; 14 – крестовой соединитель штанги и полосы;
7 – минимальное расстояние; 15 – оцинкованная полоса заземления;
8 – водосточная труба; 16 – шина выравнивания потенциалов.

Для зданий с плоской крышей внешняя система молниезащиты будет иметь схематическое представление, как показано на рисунке:

lightning_protection_scheme_plain_roof
Компоненты системы молниезащиты для зданий с плоской крышей:
1 – блоки зажимов; 6 – основания для молниеприемной сетки;
2 – соединительные элементы; 7 – молниеприемные стержни;
3 – кровельный держатель проволоки; 8 – молниеприемный стержень FangFix;
4 – держатель провода; 9 – компенсаторы;
5 – изолированное молниеприемное оборудование; 10 – соединитель быстрого монтажа Vario;
11 – круглый провод.

Методы защиты.

Расчет системы молниезащиты для всех зданий производится по определенному методу защиты, который выбирается в зависимости от класса молниезащиты и типа крыши. Ниже мы приводим табличку рекомендованные классы молниезащиты для зданий и сооружений различного назначения.

Область примененияКласс молниезащиты
Взрывоопасные зоны в промышленности и на химическом производстве II
Вычислительные центры, военные зоны, атомные электростанции I
Фотовольтажная установка мощностью > 10 кВ III
Музеи, школы, гостиницы на более, чем на 60 мест III
Больницы, церкви, склады, места собрания для более 100 или 200 лиц III
Административные здания, места продаж, офисные и банковские здания с площадью более 2000 м2 III
Жилые здания с количеством квартир более 20, многоэтажные здания с высотой более 22 м III

Согласно действующим нормам для определения класса молниезащиты требуются подробные данные объекта и соответственно факторы риска. Для их получения предлагается заполнять несколько опросных листов. Но благодаря этой табличке можно предварительно выбрать класс молниезащиты и факторы риска без подробных данных. Так, например, для большинства объектов рекомендуется класс молниезащиты III.

Класс (категория) молниезащитыМин. амплитудное значение тока молнииМакс. амплитудное значение тока молнииВероятность попадания в систему молниезащиты
I 3 кА 200 кА 98%
II 5 кА 150 кА 95%
III 10 кА 100 кА 88%
IV 16 кА 100 кА 78%

Что касается методов защиты, то на сегодня применяются такие методы молниезащиты:

Остроконечная крыша Метод защитного угла (МЗУ)
Плоская крыша Метод замкнутих контуров (МЗК)
Плоская крыша с надстройками МЗК в сочетании с МЗУ для надстроек
Для зданий с надстройками и сложной конфигурацией крыши Метод катающейся сферы (МКС)


Интерпретация метода защитного угла (или угла защиты):

prot_corner_1 prot_corner_1 prot_corner_1

Сначала определяется высота конька крыши h. Эта высота является исходной точкой для проектирования всей системы молниезащиты. По коньку крыши прокладывается проволока-токоотвод. Она образует основание, к которому привязывается все молниеприемное оборудование. Для каждого класса молниезащиты существует свой график.

prot_corner_graph
1-α-угол защиты, 2-высота коньковой кровли, 3-класс защиты.

Исходя из графика по значению высоты h, которая отображена на горизонтальной оси, на вертикальной оси выбирается угол защиты α. Затем этот угол переносится на чертеж здания. Все части здания внутри этого угла находятся под защитой.

prot_corner_img1

prot_corner_img2

Для частей здания, выступающих за угол защиты, требуется отдельная защита. К таким выступающим частям могут относиться дымоходы, антенные устройства, оборудование кондиционирования и вентиляции, фото вольтажные энергетические установки, мансардные окна, свет улавливающие фонари, слуховые окна и прочие объекты. Для них подбираются молниеприемники, радиус зоны защиты которых обезопасит эти объекты. В некоторых случаях необходимо выдержать минимальный промежуток S, чтобы избежать «пробой» между молниеприемником и защищаемым объектом.

prot_corner_img3 prot_corner_img4 prot_corner_img5

Метод замкнутых контуров

Представляет собой молниеприемную сетку с размером ячеек в зависимости от класса молниезащиты. Так, например:
для класса I = 5x5 м
для класса II = 10x10 м
для класса III = 15x15 м
для класса IV = 20x20 м

Если общая длина сетки больше 20 м, то не обходимо устанавливать компенсатор для изменения длины, которая может уменшаться или увеличиваться в зависимости от температуры. При высоте здания свыше 60 м и при риске значительного ущерба (например, для электрического или електронного оборудования) рекомендуется создание кольцевой линии против бокового удара. Такая кольцевая линия устанавливается на 80% от общей высоты здания, а размер ячейки сетки, которая образуется, от класса молниезащиты.

Метод катающейся сферы

Его еще называют метод фиктивной сферы, представляет собой геометрическо-электрическую модель и позволяет определять области прямого попадания молнии. Интерпретация метода такова: по модели объекта, подлежащего защите, катится шар определенного диаметра. Все точки соприкосновения шара с поверхностью представляют собой возможные точки прямого удара молнии. Таким образом, улучшается глубина проникновения системы защиты, состоящей из различного молниеприемного оборудования. Считается, что это самый надежный метод защиты, хотя пока на практике им пользуются редко.

Расстояние между молниеприемным оборудованием (d) в мГлубина проник-новения, класс молниезащиты I сфера радиусом R=20 мГлубина проникновения, класс молние-защиты II сфера радиусом R=30 мГлубина проникновения, класс молние-защиты III сфера радиусом R=45 мГлубина проникновения, класс молние-защиты IV сфера радиусом R=60 м
2 0,03 0,02 0,01 0,01
3 0,06 0,04 0,03 0,02
4 0,1 0,07 0,04 0,04
5 0,16 0,10 0,07 0,05
10 0,64 0,42 0,28 0,21
15 1,46 0,96 0,63 0,47
20 2,68 1,72 1,13 0,84

prot_sphere

На практике, как правило, применяется комбинация методов защиты в зависимости от класса молниезащиты, конфигурации крыши и надстроек над ней, наличия пристроек к зданию и других требований нормативних документов.

Составные части классической молниезащиты.

Как уже описывалось выше, в состав системы молниезащиты входят: молниеприемное оборудование, токоотводы, система заземления и система выравнивания потенциалов.
Молниеприемники могут быть стержневими, тросовыми или образовывать молниеприемную сетку. Помимо этого в качестве молниеприемников могут использоваться конструктивные элементы зданий, например, металлические кровли и трубы, парапеты, флюгеры. Дома с железной кровлей, которая соединена токоотводами с заземлителем, в установке дополнительных молниеприемников в большинстве случав не нуждаются. Они находятся, как бы в металлической клетке, принимающей на себя разряды молнии. Такую клетку называют клеткой Фарадея. У каждого молниеприемника согласно ГОСТ (ДСТУ Б В2.5-38:2008) существует свой радиус зоны защиты, который рассчитывается по формулам и зависит от высоты молниеприемника.
Токоотводы выполняют роль проводников, обеспечивающих отвод тока молнии от молниеприемников к системе заземления. Собой они представляют круглый или плоский проводник. Крепятся они с помощью коньковых, кровельных или настенных держателей, а соединяются различными соединителями.
Система заземления может состоять из одной из трех подсистем: глубинный, кольцевой (контурный) или фундаментный заземлитель.

Активная молниезащита.

Не утихают споры об эффективности такой молниезащиты, как активная. Появившаяся в 1980-х годах во Франции, эта система молниезащиты успешно борется за рынок, конкурируя с классической. Активная молниезащита использует молниеприемники со встроенными ионными генераторами, которые при приближении грозы инициируют возле наконечника раннюю эмиссию встречного стримера и таким образом как-будто перехватывают разряд молнии на себя. Генератор активизируется при возникновении риска поражения молнией благодаря эффекту возрастания напряженности электрического поля в атмосфере в грозовую погоду. При этом в рекламных целях приводятся радиусы зоны защиты таких молниеприемников свыше 100 м. А в последних статьях говорится о еще больших зонах защиты (до нескольких километров). К сожалению, ничем такие данные не подтверждаются. Наоборот существует много публикаций и фотографий, которые опровергают могущество активных молниеприемников. Мы придерживаемся мнения, что выбор за заказчиком, но он должен знать, где правда, а где чистый пиар. Естественно, красивый, сделанный из нержавеющей стали, молниеприемник, выглядит эффектно. Но не более того.

Составные части активной молниезащиты.

Комплект активной молниезащиты состоит из:

  1. Молниеуловителя
  2. Ионного генератора
  3. Ускорителя заряженных частиц и атмосферных электродов
  4. Вывода к заземляющему устройству
  5. Системы заземления

Задача молниеуловителя (как и молниеприемника) принять и выдержать удар самой мощной молнии.
Ионный генератор, индукционная катушка и предохранитель обладают высоким сопротивлением. Сам ионный генератор покрыт специальной эпоксидной смолой, защищающей его от внешней среды.
Ускоритель заряженных частиц и атмосферные электроды спроектированы таким образом, что могут заряжаться разными электрическими потенциалами, благодаря чему предназначение молниеотвода – заставить электроды работать и как ресурс, вырабатывающий дополнительную ионизацию, и как ускоритель частиц.
Вывод заземляющего устройства выполняет функцию заземления молниеуловителя.
Система заземления ничем не отличается от системы заземления применяемой в классической молниезащите.