Что лучше – серия молниеотводов малого превышения или один высокий?

Из цикла статей "Молниезащита жилых и общественных зданий - ответы на частые вопросы при проектировании".

Похоже, проектировщикам нравятся одиночные молниеотводы, особенно стержневые. По элементарным формулам легко строится конусная поверхность, ограничивающая зону защиты. Если объект целиком размещается в объеме этого конуса, защита от прямых ударов молнии с требуемой надежностью гарантирована. Больше беспокоиться вроде бы не о чем.

Попробую показать на конкретном примере, что ситуация не столь проста и очевидна. Пусть защищаемое прямоугольное здание при высоте hx = 20 м имеет в плане размеры 60 х 20 м. Одиночный молниеотвод для его защиты предполагается разместить так, как это показано на рис. 1. Молниеотвод должен обеспечить надежность защиты 0,9.

Что лучше – серия молниеотводов малого превышения или один высокий?. Рисунок 1

Рисунок 1

По эмпирическим формулам таблицы 3.4 норматива СО-153-34.21.122-2003 высота конуса зоны защиты при высоте стержневого молниеотвода h равна

На какую надежность молниезащиты ориентироваться. Формула 1 (1)

а радиус защиты на уровне земли при 30 < h ≤ 100 м определяется как

На какую надежность молниезащиты ориентироваться. Формула 2 (2)

Радиус защиты на высоте hx равен при этом

На какую надежность молниезащиты ориентироваться. Формула 3 (3)

Откуда

На какую надежность молниезащиты ориентироваться. Формула 4 (4)

Для избранного положения молниеотвода радиус защиты на высоте hx = 20 м должен составить На какую надежность молниезащиты ориентироваться. Формула 4 , что дает для высоты молниеотвода h ≈ 54 м. Число ударов молнии в такой молниеотвод определяется площадью стягивания SM = 9πh2 ≈ 0,082км2. Это почти в 4 раза больше площади стягивания молний собственно защищаемым зданием, без стержневого молниеотвода. Значит установка молниеотвода почти в четверо увеличит число очень близких разрядов молнии. Вряд ли такое доставит удовольствие специалистам по внутренней молниезащите, потому что, принимая на себя канал молнии, молниеотвод практически никак не влияет на электромагнитное поле ее тока, а следовательно, и на уровень наводимых перенапряжений во внутренних цепях здания.

Итак, во всех возможных ситуациях молниеотводы должны проектироваться так. чтобы избежать заметного увеличения числа ударов молнии в них по сравнению с числом ударов в незащищенный объект. По указанной причине система из многих молниеотводов малого превышения над защищаемым объектом предпочтительнее одиночного молниеотвода большой высоты.

Сделанное заключение не назовешь открытием в молниезащите. Система из большого числа стержневых молниеотводов малого превышения надежно закрепилась в европейской практике. Отечественные нормативы по молниезащите тоже не отрицают многократные молниеотводы. Препятствий на пути их широкого внедрения два,- привычка проектировщиков в основном использовать одиночные молниеотводы и сложность выбора высоты многократных молниеотводов. Проблема в том, что элементарное построение зон защиты удается выполнить только для одиночных и двойных молниеотводов, да и то однотипных. Для проектировщика, привыкшего ориентироваться на типовые зоны защиты, расчет даже элементарной комбинации из стержневого и тросового молниеприемников становится неразрешимой задачей. Обращение к последнему нормативу СО-153-34.21.122-2003 по сути дела бесполезно. В разделе 3.3.1 этого документа сказано "В общем случае выбор молниеотводов производится при помощи соответствующих компьютерных программ….". Дальше утверждается, что эти программы должны обеспечить расчет любой системы тросовых и стержневых молниеотводов для произвольного набора защищаемых объектов. В Техническом циркуляре № 25/2009 Ассоциации "Росэлектромонтаж" констатируется, что необходимым требованиям удовлетворяет программное обеспечение ОАО "ЭНИН", разработанное на базе статистической методики выбора точки удара разрядом молнии. Такая программа действительно существует и успешно используется специалистами этого института. Однако, ее товарного варианта до сих нет на отечественном рынке. Сегодня такая работа ведется с помощью компании "ИМАГ". Результат ее есть надежда увидеть в Интернете в ближайшее время.

Ну а что можно сделать уже сегодня? Ответ на этот вполне закономерный вопрос все-таки можно извлечь из норматива СО-153-34.21.122-2003. В разделе 3.3.2.5 там представлены зоны защиты замкнутых тросовых молниеотводов. По сути дела это тоже многократные молниеотводы. Четыре троса охватывают защищаемый объект по внешнему периметру. В идеальном исполнении тросы выдвинуты на консольном креплении во внешнюю сторону от защищаемой крыши здания, создавая так называемый в молниезащите отрицательный угол защиты (в частном случае этот угол может быть равен нулю – тросы подвешены точно по краю крыши).

Стоит получше разобраться в идее замкнутых грозотросов. Выше уже говорилось о радиусе стягивания молний. Они направляются к объекту с расстояния, меньше или равного в среднем его утроенной высоте. Для сколько-нибудь высоких сооружений полная площадь стягивания очень заметно превышает площадь самого защищаемого объекта. Например, для уже упоминавшегося 5-этажного здания 50 х 12 м разница превышает двадцатикратную. Это значит, что подавляющее большинство ударов молнии в объект произойдет сбоку, а потому размещенный по внешнему периметру замкнутый трос с большой вероятностью окажется на их пути. Именно это обстоятельство позволяет добиваться надежной защиты здания при относительно невысоком молниеприемнике. Конечно, при большой ширине объекта невысокие молниеотводы, расставленные его по периметру, могут спасовать в отношении вертикальных молний, нацеленных в середину крыши, но большого значения это не имеет, потому что число таких "вертикально ориентированных" молний относительно невелико и их прорывы к защищаемому объекту не помешают добиться надежности защиты на уровне 0,9, которая, как уже было показано, достаточна для жилых и офисных зданий в типовом градостроительстве.

Расчетные значения вероятности прорыва на рис. 2 и 3 позволяют оценить эффективность замкнутых тросовых молниеотводов для зданий высотой 15 и 30 м с габаритными размерами 60 х 20 м. Тросы располагались либо по краю крыши, либо смещались во внешнюю сторону на расстояние ∆d = 1 м. Требуемое превышение тросов над кровлей оказалось более чем скромным. При надежности защиты 0,9 (III уровень защиты по классификации СО-153-34.21.122-2003) трос может возвышаться над защищаемым зданием высотой 15 м не более, чем 1,2 м (рис. 2). Для 30-метрового здания нужное превышение будет примерно вдвое больше (рис. 3).

Что лучше – серия молниеотводов малого превышения или один высокий?. Рисунок 2

Рисунок 2

Что лучше – серия молниеотводов малого превышения или один высокий?. Рисунок 3

Рисунок 3

Из самых общих соображений понятно, что трос можно заменить частоколом стержневых молниеприемников такой же высоты. Нужно лишь оценить, с каким шагом их надо устанавливать по периметру здания. Качественную подсказку снова можно получить в нормативе СО-153-34.21.122-2003. В разделе 3.3.2.3 там приводятся зоны защиты двойного стержневого молниеотвода. Зона с надежностью 0,9 не имеет провала между молниеотводами, если расстояние между ними не превышает их высоты более, чем в 2,5 раза. Есть основания считать, что без такого провала пара молниеотводов в отношении своего защитного действия уподобится участку троса, не имеющего провеса на длине этого участка. Для проверки гипотезы была проведена серия численных экспериментов при помощи уже упоминавшейся расчетной программы ЭНИН (время заметить, что именно с ее помощью определялись все зоны защиты в отечественных нормативных документах по молниезащите).

Для оценки было выбрано здание с размерами в плане 60 х 20 м высотой 15 и 30 м; высота стержневых молниеприемников, установленных на крыше, принята равной hm = 1,2 и 2,5 м. На рис. 4 построена зависимость вероятности прорыва молнии к крыше здания на высоте 15 м от шага расстановки молниеприемников ∆d. Можно убедиться, что при ∆d/hm < 4 вероятность прорыва молнии практически не увеличивается. Аналогичный результат получен и для здания высотой 30 м с молниеприемниками hm = 2,5 м. Таким образом, для жилых и офисных зданий типовых размеров расстояния между стержневыми молниеприемниками можно выбирать в пределах ∆d ≈ 4hm, гарантируя при этом надежность защиты от прямых ударов молнии на уровне 0,9.

Что лучше – серия молниеотводов малого превышения или один высокий?. Рисунок 4

Рисунок 4

Теперь едва ли не самое главное. Обоснованность принятых решений нужно доказать органам технического надзора. Это непросто, потому что проверяющему нельзя предъявить конкретный раздел норматива по молниезащите, непосредственно подтверждающий правомочность проекта. До широкого внедрения сертифицированных расчетных программ можно предложить следующую методику обоснования избранного решения. Инструкция РД 34.21.122-87 разрешает использование сеток для защиты зданий II и III категорий. Жилые и офисные здания относятся к последней из них, где рекомендована сетка с размером ячеек 12 х 12 м. Заложите в проект такую сетку в дополнение к стержневым молниприемникам. Это недорого. Вы уже знаете, что защитный эффект сетки близок к нулю. Зато она вполне удовлетворит органы технического контроля, а добавить к сетке стержневые молниеотводы сегодня никто запретить не может. Здесь объяснение может быть предельно простым – желание заказчика. Пожалуйста, не думайте, что сетка в проекте нужна только для декорации. Каждый стержневой молниеприемник обязательно должен быть связан с землей как минимум по двум токоотводам. Расположите все молниеприемники рядом с проводниками сетки и свяжите их металлически - требование будет выполнено автоматически, потому что сетка присоединена к земле либо через металлоконструкции здания, либо через специально предусмотренные токоотводы.

Остается обсудить технологию монтажа молниприемников на кровле. Их высота вряд ли превысит 3 м, зато число на протяженном здании может составить десятки. Монтаж при помощи сварки вряд ли покажется удобным и дешевым. Советую воспользоваться п. 3.4 норматива РД 34.21.122-87: "Соединения молниеприемников с токоотводами и токоотводов с заземлителями должны выполняться, как правило, сваркой, а при недопустимости огневых работ разрешается выполнение болтовых соединений с переход¬ным сопротивлением не более 0,05 Ом при обязательном ежегодном контроле последнего перед началом грозового сезона". Считайте, что такой запрет наложен заказчиком. Вам остается прибегнуть к болтовым зажимам, которые широко присутствуют на отечественном рынке молниезащитных средств. Передовые европейские фирмы гарантируют переходное сопротивление в зажиме вплоть до 0,001 Ом даже при воздействии агрессивной среды.

Э. М. Базелян, д.т.н., профессор
Энергетический институт имени Г.М. Кржижановского, г. Москва


Полезные материалы:

Сертификаты