Вебинар «Когда и как учитывать рельеф местности в молниезащите». Изложение

Пятидесятый вебинар профессора Э. М. Базеляна «Когда и как учитывать рельеф местности в молниезащите»

Лектор: Эдуард Меерович Базелян, д.т.н., профессор, ЭНИН им. Г. М. Кржижановского, г. Москва.

Вебинар прошёл 22 марта 2023 года.

Россия равнинная страна. Тем не менее у нас есть Кавказ, Крым, Карелия и Урал, горные массивы в Сибири и на Дальнем Востоке. Строить приходится в ущельях, в холмистой местности, а то и просто на вершинах гор совсем не малой высоты. И это все никак не отражено в нормативных документах по молниезащите. Казалось бы, а зачем, ведь все просто - склоны ущелья укрывают объект от молнии и чем глубже ущелье, тем надежнее, а стройка на вершине горы явно находится в опасной близости к грозовым облакам. Сказанное не нуждается в доказательствах, однако дает только качественные оценки.

Как учесть особенности рельефа местности в реальном проекте молниезащиты, расскажет наш постоянный ведущий профессор ЭНИН Э. М. Базелян. Материал вебинара основан на фактических данных, которые могут быть использованы для обоснования выбора тех или иных технических решений и расчета их характеристик. Как всегда, автор даст рекомендации по применению положений существующих нормативных документов.

Открыть страницу с записью вебинара

Структурированное изложение вебинара «Когда и как учитывать рельеф местности в молниезащите»

1. Проблема действующей нормативной базы

Ориентация на «плоскую Землю»: Действующие отечественные нормативные документы по молниезащите составлены в предположении, что поверхность Земли идеально ровная, и не учитывают наличие ущелий, холмов, низин или лесных массивов.
Практическая коллизия: Проектировщики регулярно сталкиваются с объектами в сложном рельефе, однако нормативная база не дает прямых алгоритмов по учету неровностей местности.

2. Физические факторы влияния рельефа

Рельеф местности влияет на процессы молниеобразования через три ключевых фактора:

Локальное усиление электрического поля: Возвышенности и холмы концентрируют и усиливают электрическое поле грозового облака.
Снижение плотности воздуха: С увеличением высоты над уровнем моря плотность воздуха падает (на высоте 3000 м снижение составляет около 20%), что облегчает возникновение короны и развитие встречных разрядов.
Сокращение расстояния до облака: Физическое приближение объекта на возвышенности к грозовому облаку резко увеличивает напряженность электрического поля.

3. Объекты в ущельях, низинах и возле лесных массивов

Опыт горных ЛЭП (исследования В. А. Мезгина): Края ущелья выполняют роль естественных тросовых молниеотводов. Установка традиционных молниезащитных тросов на линиях электропередачи в ущельях часто бесполезна и вредна из-за высокого риска их обрыва ветром.
Вероятность поражения объектов в ущелье:
- В ущелье шириной 100 м для объекта высотой 10 м вероятность прямого удара молнии составляет порядка 10^-3 (надежность защиты 0,999).
- При ширине ущелья 200 м вероятность удара остается менее 0,18.
Методика расчета (эквивалентная схема):
- Для объекта в ущелье допускается выполнять расчет, заменяя профиль ущелья схемой двойного тросового молниеотвода с расстоянием между тросами, равным ширине ущелья.
- Если объект частично выступает из ущелья или расположен рядом с лесом, расчет проводят как для ровной поверхности, принимая расчетную высоту объекта равной его реальной высоте минус высота ущелья или лесного массива (H_расч = H_{объекта} - H_{ущелья/леса}).

4. Объекты на возвышенностях, холмах и горах

Коэффициент усиления поля: Помещение полусферической возвышенности во внешнее однородное электрическое поле усиливает напряженность поля на ее вершине ровно в 3 раза.
Интенсификация коронного тока:
- Для молниеотвода высотой 10 м на плоской местности ток короны составляет порядка 20 мкА.
- Для того же 10-метрового стержня, установленного на холме-полусфере радиусом 1000 м, коронный ток возрастает до ~200 мкА.
Образование восходящих молний: Усиленное поле и интенсивный коронный ток провоцируют развитие мощных встречных разрядов, которые часто перерастают в восходящие молнии.
Особенности поражения высотных объектов в горах:
- На вершинах гор высотные сооружения поражаются преимущественно восходящими молниями, развивающимися от вершины сооружения вверх к облаку.
- На башне высотой 100 м в Альпах (на высоте более 2000 м) за грозовой сезон фиксируется до 100 ударов молнии.
- Для сравнения, из ~30 ударов в год в Останкинскую башню 28 являются восходящими и лишь 2 — нисходящими.

5. Статистика токов молнии и нормативные ограничения

Ограниченность мировой статистики: В мире существует лишь около 500 прямых регистраций токов молнии осциллографами и единицы регистраций сверхбольших токов.
Отсутствие поправочных коэффициентов: Собрать отдельную географическую статистику для горных районов пока невозможно, поэтому проектировщики обязаны использовать стандартные расчетные параметры токов без понижающих коэффициентов.

6. Практические рекомендации и частные случаи

Объекты на склоне горы: Вершина горы за спиной объекта оказывает экранирующее действие, работая аналогично стене ущелья или естественному молниеотводу.
Подстанции (10/0,4 кВ) в горах: Основную опасность для них представляют индуцированные перенапряжения. Защита достигается не молниеотводами, а обязательной установкой разрядников и УЗИП на подстанции и подведенных линиях.
Требования заказчика: Если нормативы или заказчик требуют установку молниезащиты даже при объективной защищенности рельефом, проектировщик вынужден выполнять требования заказчика.