Комплексная защита от ударов молний высотных объектов

Чтобы провести простейший анализ и определить ожидаемое число ударов молнии в высотные сооружения, лучше рассматривать их, как отдельно взятую группу, значительно превосходящую по высоте расположенные поблизости объекты. Такая обособленная группа представляет собой своеобразный стержень, имеющий заданную высоту h и способный притягивать молнии в радиусе 3h. Возможное количество поражающих его разрядов можно описать формулой

где n_M – усредненное количество разрядов, приходящихся за год на 1 км² ровной земной поверхности выбранного региона. На большей части Российской территории этот показатель равен 3, хотя для отдельных районов может достигать и 10. А длительные и скрупулезные наблюдения за уже эксплуатируемыми объектами подтверждают наличие прямой квадратичной зависимости количества прогнозируемых молниевых попаданий от высоты верхней точки рассматриваемого сооружения.

Молния бьёт в высокую точку 30 м объекта примерно 0,1 раз за год (вероятность указана при отсутствии более высоких построек поблизости). В то же время 100 м сооружение притянет грозовой разряд раз в год, а 200 м в четыре раза чаще. При связывании в этих случаях теории с реальностью, процент совпадений близок к 100, если не брать в расчет небольшую особенность: нисходящие разряды поражают вершины лишь половину раз от расчётных значений, остальные молнии – восходящие, и их движение начинается от верхних точек объектов.

Рисунок 1. Молния бьёт в Останкинскую телебашню^*

Выполняя проектирование молниезащиты, нужно учитывать, что на высотах более 200 м общее число притянутых атмосферных разрядов также рассчитывается по приведенной выше формуле, но процент восходящих молний начинает расти пропорционально увеличению расстояния верхней точки объекта от поверхности земли. Основное отличие нисходящих и восходящих пробоев в точности их удара. Первые часто промахиваются и могут поражать не только боковые поверхности объекта, но и близлежащую территорию. Их возможные траектории непредсказуемы. Вторые всегда прогнозируемы.

Особенности работы молниеотводов при установке на высотные сооружения

Принципы обустройства и определения зоны защиты высотных молниеотводов регламентируются несколькими принятыми документами, но предложенные в них формулы не во всех случаях остаются актуальными. Инструкция по молниезащите СО-153-34.21.122-2003 распространяется на здания, сооружения и промышленные коммуникации, не превышающие 150 м отметки. Её нельзя использовать на объектах большой высоты, так как там даются рекомендации защиты от нисходящих молний.

Предвидеть, как поведут себя высотные молниеотводы на высотах до 600 м, помогает Руководство РД 34.21.122-87, описывающее возможные варианты развития событий в этих условиях. Приведенные в нем эмпирические формулы для быстрого отвода тока молнии в землю более точны, но также имеют определённое приближение. Реальная зона защиты для нисходящих молний всегда существенно меньше зоны для восходящих разрядов. В руководстве же даются лишь грубо усреднённые значения предварительных наблюдений

Рисунок 2. Уравнения для вычисления зоны защиты из РД 34.21.122-87^*

Тут r₀ и r_x – радиусы защитных зон для высот h_x и h₀, а h – верхнее значение высоты стержня.

Определяя по этим формулам защитный радиус в зоне A для стержней, имеющих высоту близкую к 600 м, на земле значения окажутся отрицательными. h₀ же сдвинется до 0,085h, что покажет отсутствие защиты боковой поверхности объекта от прямых попаданий молнии для высот 0-50 м от поверхности. Достоверность такого предположения не была подтверждена либо опровергнута на практике, хотя в случае с Останкинской башней были зафиксированы удары нисходящих молний у её основания (на высоте ~ 0,6h) и даже рядом с объектом (на расстоянии 0,4h).

Именно они выявили возможность резкого уменьшения радиуса защитной зоны для нисходящих молний у земли при увеличении высоты сооружения. Изучая, как защищают высотные объекты от молнии, можно заметить, что существующие защитные зоны там ориентированы в основном на нисходящие молнии и помогают максимально снизить возможность их «промахов». Причем на высотах более 200 м зависимость изменения радиуса притягивания таких разрядов от высоты незначительна и расстояние колеблется между 450 и 500 м

Точнее вычислить гипотетическое количество разрядов может помочь предварительное обозначение вероятной границы их притягивания (r_М), а также расчет полученной площади между внешним периметром и стержнем, с учетом плотности (n_M) ударов атмосферного электричества в землю для данного региона. Любой исследуемый объект от 200 м с высотой, превалирующей другие показатели, получит количество нисходящих разрядов, рассчитанных по формуле

Определённая часть только таких пробоев сможет прорваться в защитную зону объекта, поразив его между основанием и вершиной. Установив над сооружением высотный молниеотвод, имеющий надёжность защиты Р, удастся снизить количество прорывов за год до следующих расчётных значений