Проблемы выбора молниеотводов по МЭК 62305

Печально, но мы живем в эпоху топ-менеджеров. Они управляют всем. Даже Российская академия наук не избежала их животворного влияния. Что уж тут говорить о молниезащите. Есть общий рынок и его законы. Для менеджера они значат несопоставимо больше любых научных исследований. В конце концов не так уж важна истина по сравнению с законами рынка, которые приносят деньги. Вот почему без каких-либо обоснований нам представляют разделы стандарта МЭК, выдавая их за последнее слово научной и технической мысли.

Мы уже пытались заранее познакомить отечественных специалистов со спецификой стандарта МЭК 62305, регламентирующего выбор средств молниезащиты по европейским методикам. Была даже организована серия вебинаров, в рамках которых приглашенный европейский специалист детально разъяснял европейские правила проектирования внешней молниезащиты. К сожалению, вопросы, касающиеся некоторых требований стандарта, их физической основы и количественного обоснования не были освещены.

Проблема осталась и к ней приходится вернуться сейчас, когда приближается срок публикация очередного тома стандарта МЭК 62305 в облике ГОСТ Р. Трудно рассчитывать, что специалисты из Госстандарта дадут конструктивные пояснения хотя бы тем ключевым моментам документа, что приводят в недоумение даже опытных проектировщиков. Задача этой статьи заметно скромнее, - подготовить отечественных специалиста по молниезащите к тем неожиданностям, что принесет им новый документ. В конце концов, предупрежден, значит вооружен!

Метод катящейся сферы

Простота метода подкупает. Чтобы получить зону защиты, надо мысленно прокатать сферу заданного радиуса вокруг стержневого молниеотвода. Защищенным считается пространство под следом сферы (рис. 1). Радиус катящейся сферы для уровней защиты I, II, III, IV принят соответственно равным Rsp = 20, 30, 45 и 60 м. Бессмысленно искать какие-либо физические обоснования этого выбора. Проще посмотреть, к каким результатам приводит применение методики в инженерных расчетах.

Одним из значимых параметров защитного действия молниеотвода является радиус .защиты на уровне земли r0. Для молниеотвода высотой h < Rsp простые геометрические построения приводят к выражению

Проблемы выбора молниеотводов по МЭК 62305

Соответствующая расчетная зависимость представлена на рис. 2 для III уровня защиты, когда радиус катящейся сферы равен 45 м.

Проблемы выбора молниеотводов по МЭК 62305
Рис. 2
Радиус защиты на уровне земли по методу катящейся сферы

Недоумение вызывают расчетные значения радиуса защиты при высоте молниеотвода меньше 10 м, когда r0/h > 3. Как известно именно такое значение однозначно отдается радиусу стягивания молний. При большем удалении канала молнии должны игнорировать молниеотвод и ударять в землю. Во всяком случае, они никак не могут стягиваться к молниеотводу с вероятностью 0,9, которая установлена для III уровня защиты. Но и это еще не все. Если высота молниеотвода превышает значение Rsp, согласно методу катящейся сферы она вообще не должна влиять ни на надежность защиты, ни на размеры зоны защиты. Это полностью противоречит всем теоретическим представлениям о физике молнии и накопленному опыту эксплуатации молниеотводов.

Как бы хотелось услышать на этот счет хоть какие-то комментарии специалистов Госстандарта! Неужели они искренне уверены в том, что, обеспечивая молниезпащиту по I уровню, проектировщики не должны применять одиночные стержневые молниеотводы высотой более 20 м ?

Проблемы выбора молниеотводов по МЭК 62305
Рис. 3
Метод катящейся сферы для двойного стержневого молниеотвода

Рис. 3 демонстрирует оценку защитного действия двойного стержневого молниеотвода при помощи катящейся сферы. Объект считается защищенным, если, опираясь на вершины молнриеотводов, сфера не коснется защищаемого сооружения. Формула (2) определяет нужное для этого превышение молниеприемника

Проблемы выбора молниеотводов по МЭК 62305

Структура формулы выглядит не вполне привычно. В ней не фигурирует высота защищаемого сооружения, хотя по имеющемуся опыту эксплуатации требуемое превышение молниеотвода над защищаемым сооружением при прочих равных условиях нарастает с его высотой. Конкретные расчетные значения по (2) также вызывают сомнения. Пусть, например, сооружение длиной 10 м требуется защитить по I уровню, для которого радиус катящейся сферы Rsp = 20 м. Предположим, что молниеприемники установлены непосредственно по краям кровли ( d = 10 м). Тогда согласно (2) Δh ≈ 0,65 м. Трудно предположить, что едва ли не полуметровые стерженьки, установленные на расстоянии 10 м друг от друга обеспечат защиту сооружения от прямых ударов молнии с надежностью 0,98. Причем, это решение будет пригодным для любых сооружений высотой по крайней мере до 60 м, в пределах которых действует стандарт МЭК,
Как не хватает здесь хоть какого- то экспериментального подтверждения!

Остается отметить, что метод катящейся сферы согласно п. 5.2.2. части III стандарта 62305 считается пригодным для практического применения без каких-либо ограничений.

Метод защитного угла

Возможности практического использования метода предопределяется фактическими данными рис. 4, где величина защитного угла α ставятся в зависимость от превышения молниеприемника над защищаемой поверхностью (h).

Проблемы выбора молниеотводов по МЭК 62305
Рис. 4
Значения угла защиты для стержневого и тросового молниеотводов

Для пояснения расчетной процедуры в обязательном Приложении А стандарте МЭК (рис. А2, стандарт МЭК, часть 3) представлен следующий схематический рисунок

Проблемы выбора молниеотводов по МЭК 62305
Рис. 5
Методика определения угла защиты по стандарту МЭК

Он показывает, что угол защиты α определяется величиной превышения молниеприемника над защищаемой поверхностью. По этой причине радиус зоны защиты на уровне крыши здания высотой H будет определяться абсолютной высотой установленного там молниеприемника α1 = f(h1), а радиус зоны защиты на уровне земли совершенно другим защитным углом α2 = f(h1+H).

Разница в защитных углах α1 и α2 может быть очень значимой. Так, например, для III уровня защиты защитное действие молниеприемника высотой 10 м на крыше 35-метрового здания будет характеризоваться углом защиты α1 ≈ 61о, а на поверхности земли значение угла снизится до 22о. Сознаюсь, габаритные размеры в примере подобраны так, чтобы получить практически одинаковые радиусы защиты на крыше и на земле. В данном случае оба они близки к 18 м.

Теперь вопрос – как отнестись к основополагающему утверждению стандарта МЭК, что зона защиты одиночного стержневого молниеотвода ограничивается круговой конической поверхностью, вершина которой совпадает с вершиной молниеприемника (рис. 6)

Проблемы выбора молниеотводов по МЭК 62305
Рис. 6
Зона защиты одиночного стержневого молниеотвода из стандарта МЭК