Почему у стержневого молниеотвода зона защиты в виде конуса?

1. Почему у стержневого молниеотвода зона защиты в виде конуса?

Из цикла статей "Всё о зонах защиты молниеотводов".

Ответ на этот вопрос мог быть получен даже во времена Франклина и Ломоносова. Эксперименты показали, что молния – это длинная искра гигантских размеров. Её подобие можно было получить в лаборатории даже в XVIII веке с помощью уже существующей тогда электрофорной машины. Лучшие из них давали напряжение в сотни киловольт – вполне достаточно для формирования искр длиной в десятки сантиметров. Такая физическая модель уже может дать основу для качественного анализа.

схема расположения заземленных электродов

Рис. 1

Взгляните на схему расположения заземленных электродов на рис. 1. Там расстояние до центрального заземленного электрода (модель объекта) точно равно расстоянию до второго (модель молниеотвода), смещенного от него на расстояние r. Высоковольтный электрод подключен к источнику высокого напряжения и моделирует формирующуюся молнию. Можно включить высокое напряжение и проследить за полетом искры. Эксперимент придется повторить много раз, чтобы набрать убедительную статистику. Ее результат очевиден – в каждый стержень попадет по 50% разрядов. Теперь слегка увеличим высоту стержня, моделирующего молниеотвод, его разрядный промежуток станет короче, а стало быть и более легко перекрываемым электрическим разрядом. Однако, не надейтесь, что он соберет на себя все разряды. Доля разрядов в макет молниеотвода конечно увеличится, но до 100%-ной вероятности дело не дойдет. Часть искровых каналов всё равно пойдет по более длинному пути, к объекту.

Эффект объясняется довольно наглядно. Перед вами фотография большого числа искровых лабораторных разрядов (рис. 2). Почти ни один из них не повторяет траектории другого. Разные траектории приводят к различному времени формирования разряда и, как результат, - к различным пробивным напряжениям. В наше время пробивные напряжения легко измерить. Вот как будет примерно выглядеть их статистика (рис. 3). В некоторых случаях пробивное напряжение более длинного промежутка до объекта случайно окажется ниже, чем короткого, для молниеотвода. Тогда разряд произойдет в объект. Так в лабораторной модели будет воспроизведен случай прорыва молнии мимо молниеотвода к защищаемому объекту.

Рис. 2

Увеличивая высоту молниеотвода и соответственно сокращая расстояние до него от головки канала молнии, удается увеличить долю принятых на себя ударов, но какая-то вероятность прорыва молнии к объекту всё-таки остается, пусть хотя бы ничтожная. Поэтому эффективность защиты молниеотводов принципиально меньше 1, а при равных высотах объекта и молниеотвода она не может быть больше 0,5.

Рис. 3

Вот так в результате качественного анализа открываются две важные особенности зоны защиты стержневого молниеотвода. Во-первых, вершина зоны не может совпадать с вершиной молниеприёмника. При надёжности защиты больше 0,5 молниеотвод должен превышать защищаемый объект.

Во-вторых, по мере увеличения расстояния между молниеотводом и объектом по горизонтали предельная высота объекта должна снижаться, чтобы сохранить расстояние

а вместе с ним и надёжность защиты объекта от прямых ударов молнии. Именно отсюда возникло представление о зоне защиты как о конической поверхности, вершина которой располагается на оси молниеприёмника ниже его вершины, а радиус ее увеличивается по мере приближения к земле.

Разногласий в отношении второго положения нет, а вот вершину зоны защиты нередко пытаются совместить с вершиной молниеотвода. Так сделано, например, без каких-либо обоснований в стандарте 62305 МЭК, хотя ошибочность такого положения не вызывает сомнений на основании только что изложенных соображений, причем ошибка наиболее значима при сближении высот молниеотвода и защищаемого объекта.