Какая молниезащита эффективней – один высокий молниеотвод или несколько малых

Судя по практике, можно заключить, что проектировщики предпочитают использовать единичное высокое устройство. Особенно популярен стержневой молниеприёмник, поскольку расчёты производятся при задействовании элементарных формул. Выстраивается простой конус, определяющий защищённую зону. Входит строение в конус – защита ему обеспечена. На первый взгляд всё элементарно, однако это не так…

Почему высокий стержневой молниеприёмник не идеален

Чтобы рассказать про подводные камни такой методики, приведу пример. Возьмём дом прямоугольной формы с высотой h_x=20 метров, размеры здания 60х20 м. Планируемое размещение одного молниеприёмника отражено на рисунке 1. Предполагается, что данная защита будет обладать надёжностью 0,9.

Рисунок 1. Размещение одного молниеприёмника

В нормативе СО-153-34.21.122-2003 смотрим в таблицу 3.4. В соответствии с эмпирическими формулами, производим расчёт высоты конуса защитной зоны при высоте стержневого молниеприёмника, равной h.

Размер радиуса защитного круга на земле при 30 < h ≤ 100 метров вычисляется по формуле

Радиус молниезащиты на некоторой высоте hx будет равняться

При этом

Для выбранного положения молниеприёмника радиус зоны на высоте h_x=20 м составит

, что предполагает высоту защитного устройства h≈54 м. Количество молниевых попаданий в этот молниеприёмник зависит от площади стягивания, рассчитанный SM = 9πh² ≈ 0,082км².

Эта цифра делает примерно вчетверо больше площадь стягивания молний, по сравнению с самим строением, без защитного устройства. Именно во столько раз увеличится количество близких молниевых разрядов. Тем, кто занимается внутренней молниезащитой жилых и общественных зданий такие показатели принесут мало радости. Поскольку молниеотвод, занимаясь только стволом молнии, совершенно не влияет на электромагнитное поле её тока и не уменьшает напряжения, попадающего во внутренние электросети.

Следовательно, можно сделать вывод, что при проектировании молниеотвода нужно стараться не допустить превышения количества ударов молнии в них, относительно числа попаданий в строение без молниезащиты. Этого проще достичь при установке нескольких малых устройств, чем одного большого.

Расчёт высоты систем малых или смешанных молниеприёмников

Нельзя сказать, что эти выводы являются открытием. Подобные предпочтения в установке невысокой, но многочисленной системы защиты высотных зданий уже давно укоренились в Европе. В российских нормативах таким системам также дан «зелёный свет». Почему же она не имеет широкого применения в отечественном градостроительстве? Есть две основные причины:

Сила привычки и простота расчётов заставляют проектировщиков использовать именно одиночные типы молниеприёмников.
Выбрать оптимальную высоту для нескольких низких молниеотводов довольно сложно.

Расчёт зоны защиты легко сделать, если приёмников один или два. Когда их число гораздо больше или используется одновременно несколько типов молниеприёмников, задача становится практически невыполнимой. Обращение к нормативу СО-153-34-21.122-2003 не решит проблему.

Если обратиться к разделу 3.3.1, то можно найти там лишь рекомендацию воспользоваться компьютерными программами, которые должны произвести точный расчёт зон молниезащиты при использовании стержневого и тросового молниеприёмника либо комбинации из нескольких таких устройств.

Тех. циркуляр за номером 25/2009 Ассоциации «Росэлектромонтаж» сообщает, что данным критериям удовлетворяет ПО от ОАО «Энин», которое было разработано на основе данных статистики. Верно, такое ПО имеется, однако в продаже его не найти. Им пользуются только сотрудники компании-производителя. Подобная программа была также выпущена компанией «ИМАГ». Её продукцию, вероятно, можно будет приобрести в скором времени.

На сегодняшний день, пока нет ещё в непосредственной доступности столь удобных и точных программных обеспечений, можно использовать положение всё того нормативного документа, а именно его пункт 3.3.2.5, в котором рассматриваются зоны замкнутой тросовой молниезащиты. Это те же многократные молниеприёмники. Четыре металлических троса проходят вдоль стен здания, образуя в центре защищённую область. Оптимальным решением является установка консольных крепежей на крыше. При этом возникает отрицательный угол защиты. Если консольные крепежи отсутствуют, и тросы спускаются прямо с крыши, угол защиты приравнивают к нулю.

Система замкнутых грозотросов

Система тросовой молниезащиты требует более тщательного изучения. Вспомним о радиусе области стягивания молний. Стремясь к объекту, они располагаются на дистанции, меньшей или равной его высоте, увеличенной втрое. У высотных зданий размер площади стягивания будет значительно меньше площади самого строения. К примеру, возьмём дом в 5 этажей, площадью 50х12 м. Здесь разница площадей будет равняться двадцатикратному превышению. Это означает, что основная масса ударов будет приходиться на фасады здания. В данном случае тросовый молниеприёмник будет весьма кстати, так как он обязательно окажется на пути молнии. Система защиты, предполагающая использование малых по высоте молниеприёмников, будет весьма эффективна.

Есть, правда, опасность, что расставленные по периметру грозотросы могут не проявить себя при большой ширине дома и вертикальном попадании молнии в центр крыши. Но вероятность такого удара крайне мала, поэтому можно с уверенностью говорить о том, что уровень защиты 0,9 такой системе молниеотводов будет обеспечен. Расчёт высоты системы грозотросов На рисунках 2 и 3 можно увидеть и оценить продуктивность замкнутой системы тросовых молниеприёмников для домов 15 и 30 метров в высоту, имеющих габариты 60х20 м. Данные грозотросы находились либо по краям кровли, либо были смещены на метр (расстояние ∆d). Оказывается, возвышение такой системы над уровнем крыши должно быть совсем небольшим.

Таким образом, дома категории III уровня молниезащиты жилых и общественных зданий при требуемой надёжности 0,9, 15 метров высотой должны быть снабжены молниеприёмниками, высотой 1,2 метра (см. рис.2), а высотой 30 метров – около 2,5 метров (см. рис.3).

Рисунок 2. Вероятность прорыва молнии, здание 15 м, молниеприёмники 1,2 метра

Рисунок 3. Вероятность прорыва молнии, здание 30 м, молниеприёмники около 2,5 метра

Система стержневых молниеприёмников малого размера

Такой тип молниезащиты как трос, легко можно заменить на стержневую разновидность с теми же параметрами высоты. Вопрос в том, на каком расстоянии друг от друга их нужно установить. Обращаемся всё к тому же документу, пункту 3.3.2.3. Здесь рассматриваются зоны системы стержневых устройств. Расчёт расстояния между нами прост: оно не должно превышать их длину более, чем в 2,5 раза.

Возникла гипотеза, что при отсутствии провала между зонами в такой системе защиты по своим защитным свойствам она будет равносильна участку ровно натянутого троса без провисания. Чтобы проверить это утверждение было задействовано ПО от «Энин». Надо сказать, что все зоны, фигурирующие в указанной документации были рассчитаны с помощью именно этой компьютерной программы.

Для эксперимента взяли здания 60х20 м, при высоте 15 м и 30 м с установленной системой стержневых молниеотводов высотой 1,2 м и 2.5 м соответственно. По рисунку 4 можно судить о том, насколько вероятность ударов молнии, прорвавших защиту, зависит от удалённости молниеотводов друг от друга. Это расстояние должно высчитываться по формуле: ∆d ≈ 4hm, чтобы желаемая надёжность была не менее 0,9.

Рисунок 4. Вероятность прорыва молнии

Теперь настало время объяснений с технадзором, которого нужно убедить в правильности выбранного варианта защиты. Поскольку конкретного раздела в нормативе нет, то это будет непросто. Можно воспользоваться положением документа РД 34.21.122-87, разрешающего применение молниеприёмной сетки для строений категории III, к которой и относятся жилые и общественные здания. Рекомендуется укладывать сетку с ячейками 12х12 метров. Чтобы урегулировать приём проекта с технадзором, предусмотрите укладку сетки вместе с системой малых молниеприёмников. Такое решение можно объяснить пожеланием клиента.

Доказано, что сетка практически не защищает строение от молний, зато по документам всё будет соответствовать требованиям. Несмотря на это, молниеприёмная сетка всё-таки полезна. Любую стержневую молниезащиту нужно соединить по крайней мере с двумя заземлёнными токоотводами. Металлическая сетка имеет заземление либо через металлические конструкции дома, либо по специальным токоотводам. По нормативам рекомендуется соединять молниеотводы с сеткой посредством сварки. Однако этого делать не стоит, единственный вариант – крепёж на болты. Вам придётся опять прибегнуть к хитрости и сослаться на требования заказчика. Отечественные и импортные крепления можно приобрести в широкой доступности.

Материал создан на основе статьи профессора Эдуарда Мееровича Базеляна “Что лучше – серия молниеотводов малого превышения или один высокий?”.

Смотрите также: