Выбор молниеприёмника на основе нормативных документов РФ

Понятие о зонах защиты стержневого и тросового молниеотвода есть в официально используемых в России нормативах по молниезащите. К ним относится Инструкция по устройству молниезащиты зданий и сооружений, и промышленных коммуникаций СО-153-34.21.122-2003, и Инструкция по устройству молниезащиты зданий и сооружений РД 34.21.122-87. Отечественные стандарты молниезащиты сильно отличаются от тех, что были введены МЭК. Основное отличие лежит в том, что вершина защитной зоны всегда находится ниже вершины молниеотвода. Чем ниже по отношению к молниеотводу находится объект, тем надёжнее он будет защищён.

То, каким будет величина превышения молниеотвода над защищаемым объектом находится в зависимости от степени надёжности защиты от молнии, которую должен обеспечить молниеотвод. В нормативах, используемых проектировщиками в РФ, оперируют такими понятиям, как радиус защиты на уровне земли и величина превышения молниеотвода над объектом. При этом зона защиты, лежит в пределах поверхности кругового конуса.

Особенности расчётов зон защиты применяемых в РФ

Размеры зон защиты используемых в РФ вычисляются при помощи статистической методики. С её помощью можно вычислить вероятное количество прорывов молнии к любому количеству сооружений. Это может быть одиночное строение, какая-то его часть, или же целый комплекс зданий.

Если необходимо определить возможное количество прорывов молнии к какому-то отдельному объекту, то в качестве объекта защиты следует рассматривать только его. Остальные сооружения системы будут рассматриваться в качестве молниеотводов. Построение типовых зон защиты проводилось для всех типов молниеотводов. Включая двойные. В полной мере отражена возможность увеличения суммарного объёма защитной зоны при групповом действии молниеотводов.

Расчётные формулы в российском проектировании можно использовать для молниеотводов, высота которых лежит в пределах 150 метров. В стандартах МЭК можно использовать только молниеотводы высотой до 60 метров.

Следует обратить внимание на некоторое различие приведенных расчётных формул в РД 34.21.122-87 и принятой 5 лет спустя СО-153-34.21.122-2003 относительно размеров зон защиты. В частности, при расчёте, проведённом по формулам, предложенным в инструкции 87-го года величина радиусов защиты стержневого молниеотвода высотой в 30 метров для двух зон, расположенных на уровне земли, составит 45 и 31.5 метров. В то же время аналогичные расчёты с такими же данными, проведённые по формулам 2003 года дадут 24 и 36 метров.

Существующее разрешение пользоваться при проектировании защиты от молнии любым из этих нормативных документов по молниезащите можно объяснить тем, что оба эти документа отвечают за совершенно разные вероятности прорыва молнии. Таким образом при проектировании можно пользоваться обоими нормативными документами по молниезащите с тем, чтобы иметь возможность подобрать оптимальную для конкретного случая надёжность защиты.

После проведения большого количества экспериментов было установлено, что электрический пробой может произойти не только на самом коротком из имеющихся воздушных промежутков, а на любом из них. Разброс величин пробивных напряжений подчиняется закону Гаусса (нормальный закон) и находится в определённых пределах.

Тут U1 и U2 это средние величины пробивных напряжений стандартами разброса σ1, σ2 а ∆Uр21 их разность, которая также подчиняется нормальному закону. Стандарт разброса σ∆U находят как:

Вероятность прорыва определенного промежутка Ф1 можно выразить посредством табулированного интеграла вероятности.

тут

При выводе представленных тут формул была использована теория вероятности. Это означает, что они могут использоваться для оценки вероятности любой пары событий. При условии, что они произойдут без зависимости друг от друга. При этом завершение одного события является обязательным условием не завершения другого. Также учитывают наличие возможности перекрытия не только самого коротко промежутка, а вообще любого из них.

Ниже приведены основные положения статистической методики:

При электризации грозовых туч внутри облака появляется мощнейшее электрическое поле. Сама молния это ни что иное, как электрическая искра, которая изначально образуется в облаке без каких-либо воздействий на нее со стороны земли и находящихся на ней построек. Однако так бывает не все время, а вплоть до того, пока головка канала молнии не достигнет некоторого расстояния над землей. Это расстояние получило название высоты ориентировки. Оно обозначается как Но. Молния с одинаковой вероятностью может находиться абсолютно на любой высоте и в любом месте пространства.
Опустившись до некоторого уровня, Но, головка канала молнии, начинает процесс ориентировки в пространстве. В ходе этого процесса становится ясным направление молнии. Она может направлена к поверхности земли или же к молниеотводу, установленному на каком-либо здании. Поскольку это совершенно различные направления молнии, то формирования плазменного канала в тут происходит по-разному и абсолютно независимо друг от друга. Для того, чтобы математически описать вероятность свершения этих событий применяют представленные выше формулы.
Из-за очень большой длины разрядных промежутков, значения пробивных напряжений для них были приняты как усредненные Eпр. Таким образом удалось не использовать конкретные величины пробивных напряжений. Вместо них оперируют исключительно геометрическими размерами разрядных промежутков до земной поверхности и до самой верхней точки молниеприёмника имеющего некоторую высоту высоту h

Вероятность ориентировки можно представить, как интеграл вероятности

Как уже было ранее отмечено точка удара на поверхностях молниеприемника и защищаемого здания выбирается случайно. Это происходит следующим образом: Оторвавшись от грозового облака, молния начинает свое движение. Траектория этого движения не может быть спрогнозирована.
Точка удара молнии определяется, как результат ориентировки и выбора, которые являются независимыми друг от друга событиями. Во время ориентировки происходит определение вероятности того, что молния будет двигаться именно по направлению к молниеприёмнику а не к поверхности земли. При выборе определяется вероятность того, что молния ударит по объекту и не будет перехвачена молниеприёмником.
Точка удара молнии определяется, как результат ориентировки и выбора, которые являются независимыми друг от друга событиями. Во время ориентировки происходит определение вероятности того, что молния будет двигаться именно по направлению к молниеприёмнику а не к поверхности земли. При выборе определяется вероятность того, что молния ударит по объекту и не будет перехвачена молниеприёмником.

тут

Является кратчайшим расстоянием от головки канала молнии, расположенной на некоторой высоте ориентировки до вершины молниеприемника высота которого равняется hm;

Вероятность прорыва молнии

Для того, чтобы определить количество прорывов нужно проинтегрировать F(r) по всей плоскости ориентировки. Полученный результат умножается на величину удельной плотности грозовых разрядов на данном участке nm

Аналогичный алгоритм расчета может быть применен при любом количестве молниеотводов и защищаемых объектов независимо от их высоты, формы и размеров. Если предположить, что M≡ 0, то можно рассчитать полное число ударов молнии. Кроме того, можно оценить вероятность прорыва молнии к объекту.

В этом алгоритме расчёта присутствуют геометрические размеры расположенных на земле сооружений, а также высота ориентировки и значение стандарта разброса σ. Высота ориентировки Ho находится в зависимости от величины транспортируемого молнией разряда. В настоящее время в молниезащите отсутствуют полученные опытным путем статистические данные относительно ударов различной силы по наземным сооружениям. Поэтому соотнести высоту ориентировки молнии с силой тока нет возможности. Средние значения высоты ориентировки можно оценить лишь исходя из среднего значения радиуса стягивания молний Ratt. При высоте h защищаемого объекта Ratt = 3h. В этом случае высота ориентировки

Отсюда Ho = 5h. Относительное значение σ ≈ 0,1 было выведено в ходе лабораторных экспериментов с промежутками большой длины. Добиваться более точного значения не имеет смысла так как на результаты расчёта это параметр сильного влияния не оказывает.

Материал создан на основе статьи профессора Эдуарда Мееровича Базеляна “Выбор молниеотводов в стандарте МЭК”.

Смотрите также:

Смотрите также: