Число ударов молнии в высотные сооружения

2. Число ударов молнии в высотные сооружения

Из цикла статей "Молниезащита высотных сооружений".

Для простоты анализа целесообразно рассмотреть сосредоточенные сооружения, высота которых существенно превышает другие габаритные размеры. Для высотных сооружений такое упрощение, как правило, оправдано. Представляя объект в виде стержня высотой h, площадь стягивания молний для него можно представить в виде круга радиусом r_M = 3h, что дает для ожидаемого числа ударов молнии

Здесь n_M – среднее ежегодное число ударов в единицу плоской поверхности земли. Для средней полосы России n_M ≈ 3 на 1 км²; максимальное значение на территории страны не превышает 10. Квадратичная зависимость ожидаемого числа ударов молнии от высоты объекта неплохо подтверждается опытом эксплуатации. Итак, при h = 30 м следует в среднем ежегодно ожидать около 0,1 удара молнии или 1 удар за 10 лет эксплуатации, тогда как объект высотой 100 м будет поражаться практически ежегодно, а при h = 200 м ежегодное число ударов должно вырасти примерно до 4-х. Так оно и наблюдается в реальности. Правда, при детальном рассмотрении оказывается, что в среднем только 2 удара вызвано нисходящими молниями, а 2 других являются восходящими, стартовавшими от вершины сооружения.

Поразительно, но аналогичная картина сохраняется и для более высоких сооружений. Суммарное количество ударов молний для них почти точно соответствует расчетному значению по выражению (2), а число нисходящих молний почти не увеличивается с высотой, оставаясь примерно таким же, что и для объекта высотой в 200 м. Может показаться, что деление молний на нисходящие и восходящие мало значимо для практики молниезащиты. На деле это далеко не так. Только нисходящие молнии формируются по плохо прогнозируемым траекториям и вполне могут заметно промахнуться мимо вершины сооружения, ударив в его боковую поверхность, как это не раз наблюдалось на Останкинской телебашне (рис. 7).

Рисунок 7. Удар нисходящей молнии в Останкинскую телебашню

3. Зоны защиты высотных молниеотводов

Обратимся сначала к нормативным документам. В «Инструкции по устройству молниезащиты зданий, сооружений и промышленных коммуникаций СО-153-34.21.122-2003» рассматриваются молниеотводы высотой до 150 м. Они в основном поражаются нисходящими молниями и в категорию высотных сооружений не попадают. На описание действительно высотных молниеотводов претендует только нормативный документ «Инструкция по устройству молниезащиты зданий и сооружений РД 34.21.122-87», где представлены зоны защиты молниеотводов высотой до 600 м. К расчётным формулам из этого документа (рис. 8) надо относиться с осторожностью.

Рисунок 8. Эмпирические формулы для расчета зон защиты высотных стержневых молниеотводов из РД 34.21.122-87. r0 , rx – радиус зоны защиты на уровне земли и на высоте hx; h – высота молниеотвода, h0 – высота вершины зоны

Так, при определении радиуса защиты зоны А на уровне земли для молниеотвода высотой 600 м расчетная формула дает отрицательную величину. Что же касается высоты h0. определяющей верхнюю границу зоны защиты такого молниеотвода, то она получается равной 0,085h. Иными словами, боковая поверхность вплоть до уровня 50 м над землей представляется незащищенной от прямых ударов молнии, если следовать методике расчета из документа РД 34.21.122-87. Вряд ли можно с уверенностью сказать, насколько достоверны эти зоны защиты. Они не проверены сколько-нибудь представительным опытом эксплуатации высотных сооружений. Исключением является только Останкинская телебашня, где были организованы многолетние наблюдения. Они подтвердили возможность ударов нисходящих молний значительно ниже её вершины, вплоть до высоты ~ 0,6h. Был зафиксирован и удар в землю на расстоянии около r = 0,4h от телебашни, чем действительно подтверждается резкое сокращение относительных размеров зоны защиты высотных сооружений для нисходящих молний.

Последние два слова предыдущего абзаца нужно считать определяющими. Построенные зоны защиты относятся только к нисходящим молниям и определяют только их вероятность прорыва. Как уже отмечалось, радиус стягивания нисходящих молний остается практически постоянным при высоте сооружения больше 200 м. В первом приближении его можно принять равным r_М = 450 – 500 м. Чтобы узнать ожидаемое число ударов нисходящих молний, надо провести в плане границу зоны их стягивания, отступая от внешнего периметра объекта на расстояние r_М, вычислить полученную площадь и умножить ее на плотность молниевых разрядов в поверхность земли n_M для данной местности. Для любого высотного объекта, у которого высота превалирует над другими габаритным размерами, можно считать, что среднее ежегодное число нисходящих молний не превысит

Только эти нисходящие молнии могут поразить наземное сооружение ниже его вершины и только в отношении их справедливы зоны защиты при определении числа прорывов молний к защищаемому объекту. Если сооружение целиком размещено в зоне защиты высотного молниеотвода с надёжностью защиты P, ежегодное число прорывов молнии оценивается как

поскольку все восходящие молнии ударят в молниеотвод, а если его нет, – в вершину сооружения. Ниже представлены зоны защиты одиночного высотного стержневого молниеотвода при надежности защиты 0,9 и 0,99. Они строго построены по результатам компьютерного моделирования на основе статистической методики, использованной в отечественных нормативных документах РД 34.21.122-87 и СО-153-34..21.122-2003.

Рисунок 9. Расчётные границы зон защиты высотных стержневых молниеотводов с надёжностью защиты 0,9

Рисунок 10. Расчётные границы зон защиты высотных стержневых молниеотводов с надёжностью защиты 0,99

4. Отвод тока молнии в землю

Во всех инструкциях по молниезащите написано, что отвод тока молнии должен быть безопасным. О какой опасности речь? Главным представляется ограничение электромагнитных наводок во внутренних электрических цепях и агрегатов объекта до неповреждающего уровня. Для высотных сооружений это особенно важно. ЭДС магнитной индукции в равной степени присуща и нисходящим, и восходящим молниям. Их суммарное число резко зависит от высоты сооружения. Ориентируясь на небоскребы, можно утверждать, что число молниевых разрядов вполне может превышать 10 за год, тогда как в типовую 5-этажку оно вряд ли достигнет 1 удара за 20 лет. Различие больше чем на 2 порядка величины по частоте воздействия оказывается очень весомым. Его значимость необходимо учитывать при проектировании. Конечно, можно возложить защиту на многочисленные УЗИП, расставленные в электрических цепях, но такое решение вряд ли окажется конструктивным и не обеспечит высокой надёжности. Правильнее совместить первый шаг защиты от внутренних перенапряжений с устройством внешней молниезащиты.

Рисунок 11. Напряжённость магнитного поля во внутреннем объеме высотного дания 50х50 м в зависимости от числа токоотводов, транспортирующих ток молнии

В этой серии статей уже рассматривалось влияние числа токоотводов на электромагнитную обстановку во внутреннем объеме сооружения. Основные сделанные там выводы справедливы и для высотных сооружений (рис. 11). Красная расчетная кривая воспроизводит ситуацию, когда в роли естественных токоотводов выступает металлическая арматура стеклопакетов, которой обеспечено качественное металлическое соединение от верхних этажей до фундамента здания. В наиболее напряженном месте (у поверхности арматуры) магнитное поле падает примерно на 2 порядка величины. Вполне сравнимый эффект можно получить, транспортируя ток молнии по арматурным стержням многочисленных железобетонных опор или по другим металлоконструкциям. Главное, что эффект здесь достигается без сколько-нибудь заметных материальных затрат. Кстати, арматуру стеклопакетов можно использовать и в качестве шин для уравнивания потенциалом на разных высотных отметках здания.

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

Читайте далее "5. Заземляющие устройства высотных сооружений"

Полезные материалы:

Смотрите также: