Как же все-таки выбирать молниеотводы? Выбор молниеотводов в стандарте МЭК

1. Выбор молниеотводов в стандарте МЭК

Первая часть статьи "Как же все-таки выбирать молниеотводы?

Зоны защиты в стандарте МЭК определяются двумя независимыми способами: по углу защиты α и методом катящейся сферы. Угол защиты задает наклон пограничной боковой поверхности кругового конуса к его вертикальной оси. Величина угла зависит от превышения h вершины молниеотвода над плоской поверхностью, на которой установлен защищаемый объект (рис. 1). Величина h по предписаниям стандарта МЭК не может превышать 20, 30, 45 и 60 м для уровней молниезащиты I, II, III и IV с надёжностью защиты 0,98, 0,95, 0.9, 0,8 соответственно.

Рис. 1
Угол защиты в зависимости от превышения молниеотвода над местом установки защищаемого объекта для различных уровней защиты

Нельзя установить, на каком основании выбраны конкретные значения углов защиты в стандарте МЭК и как они соответствуют опыту эксплуатации одиночных стержневых и тросовых молниеотводов, для которых эти значения предназначаются. Как известно, сколько-нибудь достоверная информация о защитном действии молниеотводов накоплена CИГРЭ для линий электропередачи высокого напряжения, правда, при весьма ограниченном диапазоне высот, а главное - для относительно малых превышений тросового молниеотвода над защищаемым объектом – проводом. Полвека назад эти результаты были обобщены эмпирическими формулами в [9,10], где соответственно были получены следующие выражения для вероятности прорыва молнии P_пр и для того же параметра, выраженного в процентах P_пр%:

(1)

(2)

Здесь h – высота тросового молниеотвода относительно поверхности земли, а α - угол между вертикальной осью и прямой, соединяющей трос с защищаемым проводом (фактически тот же угол защиты). Использовать эти данные для апробации методики МЭК достаточно сложно. Как уже отмечалось, они охватывают не очень большой диапазон высот тросовых молниеотводов и их превышений над защищаемыми проводами. К тому же значения превышений вообще не фигурируют в эмпирических формулах (1) и (2).

Рис. 2
Оценка зоны защиты по методу катящейся сферы

По методу катящейся сферы МЭК границу зоны защиты задает след, который оставляет после себя сфера заданного радиуса, если бы её прокатили вокруг стержневого молниеотвода (рис. 2). Для уровней защиты I, II, III, iV установлены соответственно сферы радиусами R = 20, 30, 45 и 60 м. Построение на рис. 3 демонстрирует в какой степени не совпадают зоны защиты с допустимой вероятностью прорыва молнии 0,1 (III уровень защиты), построенные этими двумя методами для h = R = 45 м. Так, на высоте 30 м радиус защиты, найденный методом катящейся сферы, в 2 раза меньше, чем по углу защиты.

Рис. 3
Сопоставление зон защиты, построенных по углу защиты и методом катящейся сферы

На уровне же земли ситуация обратная. Никаких пояснений на этот счёт стандарт МЭК не содержит.

В методологическом плане полезно отвлечься пока от точности обсуждаемых методов и проследить, какие установленные практикой особенности работы молниеотводов отражены в предписаниях МЭК. Начинать приходится с наиболее очевидного факта, подтвержденного веками эксплуатации молниеотводов. Они защищают объект с требуемой надёжностью при достаточно заметном превышением над объектом. Надёжность защиты не превысит 0,5, когда высоты объекта и молниеотвода классического исполнения равны. Это значит, что вершина зоны защиты не может совпадать с вершиной молниеотвода и должна располагаться ниже её на тем большее расстояние ∆h, чем больше требуемая надёжность защиты. Этот не вызывающий сомнения принцип работы молниеотводов методикой МЭК полностью игнорирован. Зона защиты, найденная и по углу защиты, и по методу катящейся сферы, может начинаться непосредственно от вершины молниеотвода.

Второй вопрос касается предельных размеров зоны защиты одиночных молниеотводов. По методу угла защиты зона определена только для некоторого конкретного превышения молниеотвода над поверхностью, на которой расположен защищаемый объект. Если, например, он смонтирован на земле, то при I уровне защиты (с надежностью 0,98) оценки можно производить только для высоты не более 20 м. При отвечающем молниеотводу такой высоты углу защиты 22.5^о радиус зоны защиты на уровне земли будет равен 8,3 м. К чему приведет дальнейшее увеличение высоты молниеотвода, стандарт МЭК не обсуждает. Попытка использования в такой ситуации метода катящей сферы ничего прояснить не может, поскольку согласно рис. 2, увеличение высоты молниеотвода h свыше радиуса катящейся сферы R на размеры зоны защиты одиночного молниеотвода влияния не оказывает. В этой связи хотелось бы обратить внимание на два принципиальных момента. Первый из них касается эмпирических расчётных формул (1) и (2), выведенных на основании фактических данных СИГРЭ. При угле защиты 22.5^о и надёжности защиты 0,98 они дают соответственно предельные высоты молниеотводов в 84,7 и 56,25 м, но никак не 20 м. Различие слишком серьёзное для того, чтобы пренебрегать им без всякого основания.

Рис. 4
К вопросу о неоднозначности метода катящейся сферы

Другой момент комментируется рис. 4, где построение защищенного объема выполнено по всем правилам использования метода катящейся сферы. Стержневой молниеотвод высотой 60 м стоит на поверхности земли, объект высотой 40 м тоже и, таким образом, не размещается в объёме защищённой зоны. Она такая же, как для стержня высотой в 20 м. Ситуация изменяется принципиально, если по краю кровли объекта на стороне, дальней от молниеотвода, проложена заземлённая полоса, которая может играть роль молниеприёмника. Теперь весь объект и значительное пространство над ним согласно стандарту МЭК оказывается защищённым с надёжностью 0,98, соответствующей I уровню защиты. Эффект полосы, не возвышающейся над кровлей даже на 1 см, оказывается чудодейственным, но ничем не объяснимым с позиций физики газового разряда.

С особым вниманием стандарт МЭК относится к использованию молниезащитных сеток. Сетки с размерами 5х5, 10х10, 15х15 м и 20х20 м на плоской поверхности будто бы гарантируют защиту от прорыва молнии с вероятностью, соответствующей I, II, III и IV уровням. При этом металлические проводники сетки могут укладываться непосредственно на негорючую кровлю или отстоять от её на расстояние Δh = 0.15 м, когда кровельное покрытие легко воспламеняется. Иными словами, для перехвата молний сеткой с вероятностью вплоть до 0.98 практически не требуется никакого её превышения над кровлей.

Здесь время обратиться к данным рис. 1, заимствованному из стандарта МЭК, где представлены углы защиты в зависимости от превышения молниеприёмника над кровлей. Для I – IV уровня защиты при малых превышениях угол защиты α варьируется всего в пределах 70 -78^о. Это значит, что ширина зоны защиты на поверхности кровли при превышении сетки в 0.15 м не может быть больше 0.295 – 0.415 м вместо требуемых 2.5 – 10 м. Столь принципиальное несоответствие оставлено в стандарте без всякого внимания.

Применение метода катящейся сферы для оценки эффективности сетки даёт результат, зависящий от её превышения над кровлей Δh. Сетка с шагом ячеек D обеспечит защиту поверхности плоской крыши, если

(3)

где R – радиус катящейся сферы для рассматриваемого уровня защиты. Полезно отметить, что из (3) снова следует существенное несоответствие результатов оценки по углу защиты и методом катящейся сферы.

Итог анализа нельзя считать утешительным. Пользователь стандарта МЭК вынужден оставаться в неведении относительно происхождения нормированных значений углов защиты и радиусов катящихся сфер для различных уровней защиты, а главное — он не в состоянии получить сколько-нибудь сопоставимых результатов, используя эти методы, а также метод молниезащитной сетки.

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

Читайте далее "2. Выбор молниеотводов в отечественных нормативных документах"

Смотрите также:

Смотрите также: