Молниеотвод на крыше. Откуда отсчитывать его высоту?

Высота – главный параметр молниеотвода. Именно она определяет эффективность его защитного действия. Поэтому зоны защиты молниеотводов построены в зависимости от высоты. Определить высоту молниеотвода просто, когда он стоит на поверхности земли. Но не менее часто молниеотводы монтируются на крыше здания. Тогда начинаются проблемы. Где взять точку отсчета, - на земле или на кровле здания? Рис. 1 заимствован из стандарта МЭК 62305.

Рис. 1

Налицо явная неопределенность. При расчете зоны защиты на крыше высота от нее и отсчитывается, а для объекта на земле отчет нужно вести от поверхности земли. Для убедительности составители норматива поместили молниеприемник у самого края крыши. Так вроде бы нагляднее. А если отодвинуть его в глубь на метр, на 5 м, на 20 м? Картинка особо убедительной уже не покажется. Две разных высоты для одного реально существующего сооружения – такое представить себе не так уж и легко. Молниеотвод притягивает к себе молнии. На них не написано, куда и кому они предназначены, объектам на крыше или на земле. Все они должны быть перехвачены одним и тем же молниеприемником. А для практики вопрос о высоте далеко не праздный. Современные здания имеют кровлю с габаритными размерами во много десятков метров. Молниеотводы устанавливаются на них в самых разных местах, совершенно не обязательно у края. Что тогда принимать за высоту молниеотвода?

Обращение к отечественным нормативным документам по молниезащите ясности не прибавляет. Там высота молниеотвода всегда отсчитывается от поверхности земли. Ну а если здание крупногабаритное и от молниеприемника высотой, скажем, в 5 м до края крыши далеко, не меньше 50 м? Как такой молниеотвод «узнает» об этом крае? Составители нормативных документов об этом вряд ли задумывались.

Задача достаточно проста в идеологической основе, но не менее сложна и изрядно запутана в отношении формирования конкретных технических рекомендаций. Чтобы понять существо проблемы, попробуем начать с простого, но вполне конкретного. Проектировщику нужно оценить защитное действие молниеотвода, например, найти радиус защиты на уровне земли или на какой-то иной высоте. Притяжение молнии к молниеотводу определяется условиями развития от него канала встречного лидера. Об этом говорит общепринятая гипотеза Голда. Для старта и развития встречного лидера нужно сильное электрическое поле. Оно создается зарядом грозового облака и зарядом, что несет на себе канал лидера нисходящей молнии. Величина напряженности электрического поля у вершины молниеотвода определяется не только его собственным наведенным зарядом, - она зависит от наведенного заряда на всех окружающих его проводящих поверхностях, в том числе на поверхности земли и на крыше здания, если конечно молниеотвод установлен именно там. С оценки влияния этих поверхностей и нужно начинать анализ.

Международная исследовательская группа, в которую входил и автор этой короткой статьи, сосредоточилась на численном моделировании встречного разряда от вершины молниепримника, который располагался в центре крыши кругового цилиндрического объекта различной высоты, а главное, - разного радиуса. Круговая симметрия существенно упрощала численный расчет и тем самым сокращала затраты времени на него.

Как известно, в грозовой обстановке встречный разряд от вершины стержневого молниеприемника стартует в виде бесстримерной короны, которая при определенной величине тока переходит в стримерную форму, обуславливая затем старт встречного лидера. Факт этого перехода определяется усилением электрического поля у молниеотвода зарядом лидера нисходящей молнии. Высота его головки в этот момент задает высоту ориентировки молнии, однозначно связанную с радиусом стягивания молний к молниеотводу. Таким образом, результаты численного моделирования способны хотя бы качественно оценить эффективность защитного действия молниеотводов.

Задача требует достаточно трудоемких вычислений. Поэтому представленные здесь для примера результаты характеризуют только осесимметричную цилиндрическую систему со стержневым молниеприемником, установленным в ее центре. Расчетные данные на рис. 2 демонстрируют динамику роста тока бесстримерной короны от молниеприемника высотой h = 6 м при его установке на крыше цилиндрического здания высотой 100 м. Предполагалось, что электрическое поле грозового облака нарастает с постоянной скоростью до 20 кВ/м за 10 с. Это вполне типичные параметры для грозовой обстановки. Можно убедиться, что при радиусе крыши в 500 м коронный ток практически не отличается от того, что характерен для молниеприемника аналогичной высоты, установленного на поверхности земли (~ 11 мкА). По мере уменьшения радиуса крыши коронный ток нарастает, в пределе приближаясь к пороговому значению 560 мкА, что характерен для электрода на земле суммарной высотой 106 м. Столь существенная зависимость условий формирования встречного разряда от габаритных размеров объекта, на котором установлен молниеприемник, проявляется и в отношении условий перехода

Рис. 2

этого процесса в стримерную форму, которая ведет к старту встречного лидера и началу процесса ориентировки. Расчетные данные на рис. 3 показывают, при каком превышении головки канала молнии это происходит в условиях рассматриваемого здесь примера. Расчет выполнен для средней по силе молнии с погонным зарядом лидера 0,5 мКл/м, который опускается от облака со скоростью 200 м/мс, для простоты строго по вертикальной оси молниеотвода. В практически значимом диапазоне габаритных размеров (при изменении радиуса крыши от 100 до 10 м) искомое превышение головки канала молнии ΔH_tip меняется более, чем в двое. А это значит, что радиус стягивания молний к молниеотводу R_att по принципу равных расстоянии, определяемый соотношением

при высоте молниеотвода h << ΔH_tip приближенно оценивается как

Рис. 3

При столь слабой зависимости радиуса притяжения молнии от высоты ее превышения ΔH_tip неопределенность оценки этого параметра из-за проблемы учета габаритных размеров крыши не слишком заметна. В рассмотренном примере речь идет о кратности, близкой к 1,4 - 1,5, что не очень значимо, когда на практике оперируют значениями надежности защиты, отличающимися как минимум на порядок величины.

Учитывая это обстоятельство, рискую высказать лично свое, ни с кем не согласованное и потому никем не одобренное предложение. Во всяком случае оно позволит выбирать разумные размеры молниеотводов для сооружений ординарной высоты (в пределах 150 м), для которых характерны поражения исключительно нисходящими молниями.

1. Высоту молниеотвода для защиты сооружений, расположенных на крыше здания, определять по его превышению именно над поверхностью крыши. Это разумно по крайней мере тогда, когда размер кровли не меньше радиуса стягивания молний к молниеприемнику, равного его утроенному превышению над крышей.
2. Высоту молниеотвода, установленного на крыше, но предназначенного для защиты сооружений на поверхности земли, независимо от места его расположения относительно края кровли отсчитывать от поверхности земли и оценивать надежность защиты сооружения, исходя из эффективности такого высотного одиночного молниеотвода (например, по его зоне защиты).
3. В случае, когда защищенность объекта на поверхности земли оказывается ниже допустимой (например, он не вписывается в зону защиты), действием молниеотвода на крыше следует пренебречь и оценить защитное действие самого здания, которое следует рассматривать как естественный молниеотвод.

В заключение одна существенная оговорка. Расчет защитного действия нужно производить по отечественным методикам, в крайнем случае, по расчетным формулам из Инструкции по молниезащите СО-153-34.21.122-2003. Метод катящейся сферы и защитного угла из стандарта МЭК 62395 для этого не годятся. Недоразумения, к которым они приводят, не раз уже обсуждались на наших вебинарах. Их критика не потеряла своей актуальности и для молниеотводов на крыше.

6. Как это делается Вебинар "Пожарная безопасность и нормативные требования по молниезащите." Страница 1 Вебинар "Пожарная безопасность и нормативные требования по молниезащите." Страница 2 Вебинар "Пожарная безопасность и нормативные требования по молниезащите." Страница 3