Молниеотвод или молниеприемник как правильно

Виды и установка молниеотводов

Как устроены молниеотводы

Самый распространенный и часто встречаемый тип грозозащиты – это стержневой молниеотвод. Каждая часть в его конструкции выполняет определенную функцию:

Кроме стержневого существует еще 2 вида молниеотводов: тросовый и в виде сетки. Трос, натянутый между опорами, используют для молниезащиты частных домов, а молниеприемную сетку – на плоских и крышах с незначительным уклоном.

Стержневая молниезащита может изготавливаться на базе других конструкций. К примеру, молниеотвод МОГК выпускается на основе граненой мачты, используемой для организации освещения на большой высоте. В основе конструкции листовая сталь, которую сгибают для получения дополнительных ребер жесткости.

Весь молниеотвод состоит из отдельных секций длиной до 10 м. Молниеприемник представлен в виде шпиля длиной до 6 м. Основной размер молниеотвода, т. е. высота, составляет от 20 до 45 м. Вся конструкция защищена методом горячего цинкования. Молниеотвод не окрашивают, поскольку нанесение лакокрасочных материалов и другой изоляции для таких конструкций запрещено.

Источник

Молниезащита (Молниеотвод, громоотвод, грозозащита). Описание, теория и виды молниезащиты

Доброго времени суток, уважаемые посетители проекта «Добро ЕСТЬ!», раздела «Мой дом»!

В сегодняшней статье мы будем говорить с Вами на тему молниезащиты.

Гроза, которая сопровождается громом и молниями – атмосферное явление, которое представляет для людей большую опасность. Свидетельствует об этом статистика – по всему миру, за 1 год от удара молнии гибнет более 3000 человек! Материальный ущерб же составляет миллиарды долларов, т.к. напряжение молнии настолько велико, что при попадании ее в электросеть сгорают горы различной техники и электроники.

Конечно же, современные дома строятся сразу с молниезащитой, и беспокоится здесь нечему, а вот как быть в селах, где этому вопросу мало кто уделял должное внимание? Давайте же рассмотрим вопрос о Вашей и Вашего дома безопасности, и если у Вас до сих пор нет молниезащиты, установим ее. Но для начала, немножко теории о грозе и молниях.

Теория о грозе

Итак, во время грозы, облака очень сильно электризуются относительно друг друга и земли. Фактически, облака и земля при грозе – разные полюса, которые можно считать разными обкладками гигантского, постоянно заряжающегося конденсатора. И когда разность потенциалов (напряжение) достигает своего пика, т.е. напряжения пробоя между этими «обкладками» (а это миллиарды вольт), то происходит разряд молнии. Гром – это акустическое производное от удара молнии.

Что такое молниезащита?

Молниезащита (грозозащита, громозащита) – комплекс мер и специальных приспособлений для обеспечения безопасности здания, а также имущества и людей, находящихся в нём.

Самым простым решением молниезащиты является – молниеотвод, или как его еще называют в народе – громоотвод.

Виды молниезащиты

Молниезащита бывает 2х видов — внешняя и внутренняя системы молниезащиты.

Внешняя система молниезащиты

Внешняя молниезащита представляет собой систему, обеспечивающую перехват молнии и отвод её в землю, тем самым, защищая здание (сооружение) от повреждения и пожара. В момент прямого удара молнии в строительный объект правильно спроектированное и сооруженное молниезащитное устройство должно принять на себя ток молнии и отвести его по токоотводам в систему заземления, где энергия разряда должна безопасно рассеяться. Прохождение тока молнии должно произойти без ущерба для защищаемого объекта и быть безопасным для людей, находящихся как внутри, так и снаружи этого объекта.

Существуют следующие типы внешней молниезащиты:

— Конструкция, когда молниеотвод выполняет роль проводника между обкладками этого конденсатора (т.е. конденсатор как бы замкнут накоротко). Поэтому заряд на его обкладках не накапливается, а конденсатор постоянно разряжается. И напряженность в районе молниеотвода практически нулевая. Иными словами, молниеотвод не «ловит» на себя молнию, а создает условия, когда молния не может возникнуть. Он просто «отводит» молнию от себя.

Эти 2 типа подразделяются на следующие виды:

— молниеприемная сеть;
— натянутый молниеприемный трос;
— молниеприемный стержень;
— активная молниезащита.

В большинстве случаев, внешняя молниезащита состоит из следующих элементов:

— Молниеотвод (молниеприёмник, громоотвод) — устройство, перехватывающее разряд молнии. Выполняется из металла (нержавеющая либо оцинкованная сталь, алюминий, медь)

— Токоотводы (спуски) — часть молниеотвода, предназначенная для отвода тока молнии от молниеприемника к заземлителю.

— Заземлитель — проводящая часть или совокупность соединенных между собой проводящих частей, находящихся в электрическом контакте с землей непосредственно или через проводящую среду.

Внутренняя система молниезащиты

Внутренняя молниезащита представляет собой совокупность устройств защиты от импульсных перенапряжений (УЗИП). Назначение УЗИП защитить электрическое и электронное оборудование от перенапряжений в сети, вызванных резистивными и индуктивными связями, возникающих под воздействием тока молнии.

Общепринято выделяют перенапряжения, вызванные:

— Прямыми ударами молнии. Такие перенапряжения происходят в случае попадания молнии в здание (сооружение) или в подведенные к зданию (сооружению) линии коммуникаций (линии электропередачи, коммуникационные линии). Перенапряжения, вызванные прямым ударом, именуются «Тип 1» и характеризуются формой волны 10/350 мкс. Они наиболее опасны, так как несут большую запасенную энергию.

— Непрямыми ударами молнии. Эти перенапряжения происходят вследствие ударов вблизи здания (сооружения) или удара молнии вблизи линий коммуникаций. В зависимости от типа попадания различаются и параметры перенапряжений. Перенапряжения, вызванные непрямым ударом, именуются «Тип 2» и характеризуются формой волны 8/20 мкс. Они менее опасны: запасенная энергия примерно в семнадцать раз меньше, чем у «Тип 1».

История молниезащиты

Считается, что молниеотвод был изобретён Бенджамином Франклином в 1752 году, хотя есть свидетельства о существовании конструкций с молниеотводами и до этой даты (например, Невьянская башня, бумажные змеи Жака Рома).

Описание первого способа защиты от молний появляется в ежегоднике «Альманах Бедного Ричарда». «Способ этот таков, — писал Франклин. — Возьмите тонкий железный стержень (каким, например, пользуются гвоздильщики) длиною достаточною для того, чтобы три-четыре фута одного конца опустить во влажную землю, а шесть-семь другого поднять над самой высокою частью здания. К верхнему концу стержня прикрепите медную проволоку длиной в фут и толщиной с вязальную спицу, заостренную как игла. Стержень можно прикрепить к стене дома бечевой (шнуром). На высоком доме или амбаре можно поставить два стержня, по одному на каждом конце, и соединить их протянутой под коньками крыши проволокой. Дому, защищенному таким устройством, молния не страшна, так как острие будет притягивать ее к себе и отводить по металлическому стержню в землю, и она уже никому не причинит вреда. Точно так же и суда, на верхушке мачты которых будет прикреплено острие с проволокой, спускающейся вниз на палубу, а затем по одному из вантов и обшивке в воду, будут предохранены от молнии».

Источник

Надёжны ли молниеотводы?

Изобрести молниеотвод очень просто. Молния это всего лишь длинная искра, которая пробивает слой воздуха, очень качественного изолятора. Чем толще этот слой, тем труднее его пробить. Значит нужно помочь молнии, сократив длину изоляционного промежутка. Это и делает металлический штырь молниеотвода. Всякие «мелочи» вроде доказательства электрической природы молнии, постановки совсем небезопасного эксперимента с запуском змея в грозовое облако мы опускаем. Б. Франклину они стоили многого. На его счастье змей тянул за собой не проволоку, а тонкую тканевую нить. Даже намокнув, она была очень посредственным проводником. Иначе бы имя Франклина было поставлено в один ряд с Г. Рихманом – первой жертвой среди известных исследователей молнии. Его бюст стоит на одной из улиц Пярну в Эстонии, откуда он родом

Рис. 1. Так выглядит фотография многих искровых каналов при испытаниях модели молниеотвода

Проделав несколько сотен опытов, можно было видеть, сколько искр перехватил молниеотвод, сколько их ударило в землю и насколько велик процент тех, что все-таки прорвались к защищаемому объекту. Так были построены самые первые зоны защиты молниеотводов. Граница зоны ограничивала защищаемое пространство в окрестности молниеотвода. Оно отличалось тем, что любой объект, целиком размещенный внутри зоны, поражался молнией с вероятностью, не большей заданной.

Зоны защиты введены в нормативные документы многих стран, в том числе и в России. У нас в этом отношении даже некоторый перебор, одновременно действуют два набора зон. В нормативном документе «Инструкция по устройству молниезащиты зданий и сооружений РД 34.21.122-87» их надёжность специально не обозначена. Сказано только, что у зоны А она более высокая, чем у зоны Б. А в более новом нормативе 2003 г «Инструкция по устройству молниезащиты зданий, сооружений и промышленных коммуникаций» зонам защиты приписана вполне конкретная надёжность: 0,9, 0,99 или 0,999. Расшифровать эти девятки легко. При надёжности 0,9 к защищаемому объекту прорвется одна молния из десяти, при надёжности 0,999 – одна из тысячи.

Переход к вероятностным оценкам означает, что на идеальный молниеотвод рассчитывать не приходится, как не приходится думать об идеально надёжном автомобиле или вечно служащей обуви. Любое техническое средство ограничено по своим возможностям и молниеотвод не исключение.

Специалист скажет, что на деле полученную оценку придется увеличить еще во много десятков раз, потому что наземные сооружения и молниеотводы сильно различаются по высоте. Наблюдать придется за всем их многообразием.

Критически настроенному читателю самое время упрекнуть меня, напомнив о лабораторном моделировании. Заменив молнию длинной искрой, можно набирать необходимую статистику несопоставимо быстрее. Выигрыш в скорости сомнений не вызывает, чего нельзя сказать о результатах лабораторных испытаний. К настоящему времени они проведены с искрами длиной до 30 м. К сожалению, однозначных результатов не получено. Вероятность прорыва молнии мимо макета молниеотвода к макету защищаемого объекта оказалась зависимой и от масштаба модели, и от скорости роста напряжения на разрядном промежутке, в которой модель установлена. Для качественного сопоставления молниеотводов различных типов лабораторное моделирование пригодно, но достоверность количественных оценок надёжности защиты вызывает очень большие сомнения.

Ситуация, возникшая в молниезащите, как нельзя благоприятна для разного рода спекуляций. Ждать себя они не заставили. Вряд ли стоит разбирать все многообразие лихих методологических построений, что накопились к настоящему времени, но одно из них пропустить никак невозможно. Метод катящейся сферы не просто известен большинству проектировщиков, он включен в стандарт по молниезащите международной электротехнической комиссии (МЭК) 62305. Госстандарт России уже перевел два тома этого стандарта и выпустил их под маркой ГОСТ-Р. На очереди третий том с этой самой катящейся сферой. Для меня он страшнее чудовищ с офортов Гойи.

Рис. 2. Метод катящейся сферы

Метод не только прост, но даже изящен. В вашем распоряжении сфера строго заданного радиуса. Её надо прислонить к молниеотводу, как это показано на рисунке, и прокатить вокруг него. Все, что под границей следа катящейся сферы защищено от молнии (рис. 2). Остальное нет. Молниеотводов может быть несколько. Тогда катящаяся сфера может опираться на них поочередно, описывая защищаемое пространство, в котором должен располагаться защищаемый объект. В стандарте МЭК указаны значения радиуса катящейся сферы: 20 м, 30 м, 45 м. 60 м для I, II, III и IV уровней защиты, гарантирующих соответственно надежности 0,98, 0,95, 0,9 и 0,8. Хотелось бы узнать, откуда эти значения. На этот счет полное молчание и в научной литературе, и в самом стандарте. Докопаться до основ метода не удается, хотя и очень хочется. Количественный анализ здесь недоступен. Приходится рассчитывать на качественные закономерности, извлечённые из многолетнего опыта эксплуатации и теории искрового разряда.

Рис. 3. Первое следствие метода катящейся сферы

Первая несуразица налицо. Этого, вообще говоря, уже достаточно для дискредитации метода. Тем не менее, не могу отказаться от демонстрации еще одного убедительного абсурда. Увеличим высоту молниеотвода, сделав ее больше радиуса катящейся сферы. Зона защиты от этого не увеличится, равно как и надежность защиты- полное противоречие опыту эксплуатации! Можете поднять молниеотвод хоть до уровня Вавилонской башни. Для катящейся сферы это не должно привести к положительному эффекту. Вот такой метод расчёта молниеотводов пытаются внедрить на территории России особо горячие поклонники общего рынка.

Теперь время рассказать об отечественной практике выбора молниеотводов. Главный принцип здесь незыблемый. Любой молниеотвод в состоянии обеспечить только конечную надёжность защиты. При любом числе «девяток» она заведомо меньше единицы. Это связано с причудливостью траектории молнии (и длинной искры тоже). Представлениям Франклина о движении по кратчайшему расстоянию она следует далеко не всегда. Не могу удержаться от демонстрации двух фотографий, которые обошли наверное сотни разных изданий. Первая из них получена специалистами Энергетического

Рис. 4. Причудливость траекторий длинной искры и молнии

института им. Г.М. Крижановского на Останкинской телебашне. Молния там промахнулась мимо вершины на 202 м! Второе фото выполнено во время экспериментов на высоковольтном стенде в Сибирском научно-исследовательском институте электроэнергетики. Цилиндрическая башня на снимке – высоковольтный генератор высотой около 35 м. Длинная искра стартовала от его вершины при напряжении почти в 5 МВ, но вместо кратчайшего пути к земле выбрала полет к высоковольтной линии электропередачи на расстоянии более 100 м.

Хотя наблюдения ведутся больше полувека, собранные данные не слишком представительны и относятся к достаточно узкому диапазону высот (в основном, 20 – 40м). Поэтому об абсолютной достоверности статистической методики сегодня говорить не приходится. В лучшем случае можно оправдать оценки на уровне 0,999. В отличие от метода катящейся сферы к абсурдным следствиям статистическая методика не приводит. Во всяком случае, она требует, чтобы молниеотвод обязательно превышал защищаемый объект при надежности защиты свыше 0,5. Взгляните, пожалуйста, на зону защиты одиночного стержневого молниеотвода высотой 30 м, построенного по статистической методике. При надёжности защиты 0,9 она начинается не из вершины молниеотвода, а на 15% ниже; при надёжности 0,999 – на 30% ниже. Легко вписывается в статистическую методику и эффект повышения надежности защиты с увеличением высоты молниеотвода.

Здесь место рассказать об одной не слишком полезной привычке отечественных проектировщиков молниезащиты. Они предпочитают выбирать молниеотводы по зонам защиты. Нарисовать типовую зону легко. Для этого в нормативных документах приводится набор элементарных формул, а в Интернете достаточно простых расчетных программ с красивыми, хотя и бесполезными картинками. Остается проверить, помещается ли защищаемый объект во внутреннем объеме построенной на чертеже зоны. Если да, защита обеспечена. Теперь о вреде такой практики.

Во многих реальных ситуациях проект по зонам защиты будет избыточным. Объект редко заполняет весь объект зоны и часто многие его строительные элементы располагаются достаточно далеко от границы. В такой ситуации реальная надежность защиты может быть много выше требуемой, но проектировщику не дано знать, насколько. Во-вторых, зоны защиты удается построить только для молниеотводов одного типа (стержневых или тросовых), да и то одиночных или двойных и обязательно равной высоты. Тем самым резко ограничивается их номенклатура, а значит, и возможности выбора оптимальной системы молниеотводов. Полезно привести несколько примеров, чтобы оценить насколько серьезными могут быть потери. Для этого годится программное обеспечение, разработанное по статистической методике. Объектом защиты пусть будет большой резервуар высотой 20 м и диаметром 60 м. Положим, что технические требования не допускают установку молниеотводов на расстоянии ближе 20 м от резервуара. Расчётные данные на рис. 5 показывают, как меняется вероятность прорыва молнии к резервуару в зависимости от высоты и числа стержневых молниеотводов. Различие между одиночным молниеотводом высотой в 100 м и четырьмя молниеотводами по 28 м слишком серьезны, чтобы можно было бы пренебречь возможной экономией металла и денег. По сути дела переход к использованию многократных молниеотводов на практике означает возможность отказа от проектирования и монтажа высотного сооружения и использование типовых серийно выпускаемых стержневых молниеотводов, установка которых не представляет особых проблем.

Преимущества этим не ограничиваются. В предыдущих статьях уже рассказывалось, что число ударов молнии возрастает с высотой сооружения. Например, для одиночных сооружений малой площади (мачты, стержневые молниеотводы) зависимость от высоты сооружения квадратичная. Значит стержневой молниеотвод высотой 110 м соберет на себя примерно в 10 раз больше ударов молнии, чем 28-метровая

Рис. 5. Оценка преимущества многократных молниеотводов

конструкция. Это очень полезно для ограничения числа опасных электромагнитных наводок на цепи управления и автоматики защищаемого объекта.

Можно ли считать решенной проблему проектирования молниеотводов? К сожалению, ответ отрицательный. Современная техника нуждается не просто в надежных молниеотводах, и в таких, которые можно устанавливать на почтительном расстоянии от защищаемого объекта. В этом случае, ток молнии в металлоконструкциях молниеотвода не сможет создать сильных электромагнитных наводок, опасных для внутренних цепей объекта. Сегодня эта задача – одна из наиважнейших. Ее решение впереди.

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

Надеемся, что в дальнейшем этот сайт выполнит роль элементарного учебника по самообороне от молнии. Мы планируем постоянно размещать здесь статьи о реальных опасностях грозового электричества и современных средствах молниезащиты. Они призваны помочь разобраться в существе проблемы и оценить доступные вам пути её решения.

Источник

Молниезащита. Виды, характеристики, назначение и доказательство необходимости

Введение

Вопрос защиты от прямых ударов молнии становится актуальнее с каждым днем. Согласно прогнозам, увеличение числа гроз (грозовой активности) связано с потеплением климата и растет на 10 % на каждый градус, (по другим данным — увеличивается на 12 ±5 % на каждый градус) глобального потепления и в итоге возрастет примерно на 50 % в течение этого столетия.

Опасность молнии и необходимость защиты от нее людям известна с древности. Если ещё в относительно недавние времена основной опасностью удара молнии были пожары и физические повреждения зданий, вызванные ее термическим и механическим воздействием, то развитие электронной техники и всеобщая цифровизация жизни закономерно ставят дополнительный вопрос защиты электронной аппаратуры от импульсных перенапряжений, вызванных воздействием молнии.

Статистика

Каждый такой инцидент — не просто несчастный случай, но ещё и дополнительные расходы как владельцев пострадавших объектов (в большинстве случаев значительно превышающие стоимость системы молниезащиты), так и средств федерального и областных бюджетов.

В грозовой период новости пестрят информацией о погибших и пострадавших от удара молнии. К примеру, только в 2020 году таких случаев насчитывается более 27, в 2021 году — уже 5. Молния не щадит и домашних животных — на фермах, в конюшнях и пасущихся в поле. Только за 2020 год в разных регионах России погибли более 100 животных.

Необходимость молниезащиты

Наиболее эффективным способом борьбы с прямым ударом молнии и ее вторичными проявлениями было и остается применение систем молниезащиты, назначение которых — переориентирование от защищаемого объекта и непосредственный прием прямого разряда, распределение и рассеяние тока молнии в земле. Они состоят из внешней молниезащиты или молниеотвода, включающего в себя молниеприемник, токоотвод и систему заземления, и внутренней — УЗИП, предупреждающие прорыв тока молнии в объект.

Необходимость устройства молниезащиты зданий, сооружений и оборудования определены Федеральным законом от 22.07. 2008 № 123-ФЗ «Технический регламент о требованиях пожарной безопасности» как один из способов предупреждения пожаров и иными законодательными нормами Российской Федерации в области пожарной безопасности.

Традиционно для молниезащиты (грозозащиты) использовались проверенные практикой классические стержневые и тросовые молниеотводы, а также молниеприемная сетка.

Немного истории

Сегодня считается, что молниеотвод изобрел Бенджамин Франклин. Более 250 лет назад, в 1752 году, он экспериментально доказал электрическую природу молнии и предложил способ защиты от нее с помощью заземленного металлического стержня.

Самый старый в мире молниеотвод, из известных сохранившихся, находится в России, на построенной в первой половине 18-го века знаменитой Невьянской башне в городе Невьянск Свердловской области.

Молниеотвод на Невьянской башне

На вершине башни расположен заземленный, через каркас здания, металлический шпиль с покрытым шипами металлическим шаром и расположенным чуть ниже флюгером, на котором выбит дворянский герб Демидовых. Разные источники называют даты окончания постройки башни между 1721 и 1742 годами, то есть, как минимум за 10 лет до изобретения молниеотвода Франклином.

Действующие нормативы

На сегодняшний день в России действуют три основных нормативных документа по традиционной или классической/пассивной молниезащите:

Совместное применение последних двух наиболее часто используемых в практике современной молниезащиты определено письмом Ростехнадзора от 01.12.2004 № 10-03-04/182. Этими нормативными документами определен порядок проектирования, монтажа, эксплуатации и технического обслуживания классических систем пассивной молниезащиты — тросовых, стержневых и сетчатых.

Важнейшей характеристикой любых систем молниезащиты является надежность защиты от прямого удара молнии, то есть величина, определяемая как 1-Р, где Р — вероятность прорыва в процентах прямого удара молнии к объекту, находящемуся в пределах зоны защиты молниеотвода.

Таблица 1. Надежность защиты от прямого удара молнии определена СО 153-34.21.122-2003

Зоны защиты классических молниеотводов

Наиболее распространены в мировой практике стержневые молниеотводы, отлично защищающие различные объекты на протяжении более чем 260 лет. Зоной защиты одиночного стержневого молниеотвода, согласно РД 34.21.122-87 и СО 153-34.21.122-2003 является конус с прямолинейной образующей. Вершина конуса находится на оси молниеотвода и расположена ниже вершины молниеприемника.

Размеры зоны защиты (высота и радиус защиты на уровне земли) зависят от заданной надежности защиты и от высоты молниеотвода. Добавим, что эта зависимость — линейная (см. схему ниже).

Зона защиты стержневого молниеотвода

Объект считается защищенным с заданной надежностью от прямого удара молнии, если целиком располагается внутри зоны защиты молниеотвода.

Объект полностью находится в зоне защиты молниеотвода. Фронтальная и горизонтальная проекции

Зона защиты одиночного тросового молниеотвода в данных нормативах рассчитывается как зона защиты большого количества стержневых молниеотводов, расположенных в линию заданной длины.

Кроме того, в СО 153-34.21.122-2003 определена возможность проектирования зон защиты молниеотводов по защитному углу или методом катящейся сферы согласно стандарту Международной электротехнической комиссии (IEC 62305) при условии, что расчетные требования Международной электротехнической комиссии оказываются более жесткими. При этом, в отличие от РД 34.21.122-87 и СО 153-34.21.122-2003, высота молниеотвода определяется от горизонтальной поверхности, которая будет защищена.

Активные молниеприемники МОЭС

В последние 25 лет стали популярны так называемые «активные» молниеприемники, обладающие более высокой степенью надежности и расширенной зоной защиты.

Для справки
Образование молнии начинается с формирования нисходящего от облака в направлении Земли лидера, представляющего собой проводящий плазменный канал. В настоящее время считается, что зарождение лидера в грозовом облаке не зависит от наличия на поверхности земли каких-либо объектов (неровностей рельефа, строительных конструкций и т. п.).
Продвигающийся к земле нисходящий ступенчатый лидер молнии инициирует появление и развитие направленных к грозовому облаку встречных (восходящих) лидеров как с наземных объектов: элементов крыши, архитектурных форм, оборудования на крыше и стенах и т. п., так и с установленных молниеприемников. Соприкосновение одного из них с нисходящим лидером определяет место удара молнии в землю или какой-либо объект.
Исходя из этого, роль системы молниезащиты, с точки зрения развития восходящего лидера, заключается в формировании устойчивого восходящего лидера с вершины молниеприемника раньше, чем с любых элементов наземного объекта. Являясь основным элементом системы молниезащиты, в функцию которого как раз и входит инициация и развитие устойчивого восходящего лидера ранее, чем от элементов объекта, молниеприемник должен создавать для этого оптимальные условия. Известно, что в условиях конкурирующего развития восходящих лидеров от элементов объекта и молниеприемников, более ранний устойчивый лидер подавляет возникновение остальных. Момент начала формирования на вершине молниеприемника восходящего лидера соответствует началу ориентировки молнии к молниеприемнику. Задачу опережающего формирования восходящего лидера от молниеприемника ранее чем от элементов защищаемого объекта с успехом решают системы защиты от прямого удара молнии с использованием молниеприемников с опережающей эмиссией стримера или, если кратко, МОЭС (англ. ESEAT — Early streamer emission air terminal). Другое распространенное название в России — активный молниеприемник.

Принцип действия МОЭС. Кратко

Рассмотрим принцип действия МОЭС на примере молниеприемников Forend производства турецкой компании Forend Elektrik A. S. В этом случае основой МОЭС является генератор высоковольтных импульсов, расположенный в корпусе с острием. Такое устройство монтируются на здании, сооружении или отдельно стоящей мачте и создает зону защиты от прямого удара молнии для всех объектов, в том числе, антенн и архитектурно-ландшафтных объектов кровли.

При возникновении определенных условий за счет разницы потенциалов между нисходящим лидером и поверхностью земли, генератор начинает вырабатывать высоковольтные импульсы. Как следствие, за доли секунды до разряда молнии на острие молниеприемника начинается эмиссия заряженных частиц и возникает стримерная вспышка, образующая встречный восходящий разряд — лидер с зарядом, противоположным заряду грозового облака. При этом для работы генератора не требуется использование внешнего источника питания. В ряде моделей МОЭС использованы поддерживающие ионизацию активные и пассивные электроды.

За счет принудительной генерации, опережающей стримерной вспышки и формирования восходящего лидера, увеличивается эффективная высота МОЭС по сравнению с классическим пассивным молниеприемником, в результате чего перехват нисходящего лидера молнии осуществляется раньше. Как следствие, увеличивается размер зоны защиты наземных объектов. В результате, при прочих равных, с классическими «пассивными» системами, условиях, удается обойтись меньшим количеством молниеприемников и токоотводов и/или меньшей высотой установки МОЭС.

Элементы системы молниезащиты

Система молниезащиты с МОЭС аналогична классическим пассивным системам и включает в себя элементы, указанные на рисунке ниже.

Элементы системы молниезащиты и защищаемого объекта

Примечание
Соединение токоотвод-заземлитель, а также горизонтального и вертикального заземлителей должно выполняться в смотровом (инспекционном) колодце.

Технические характеристики МОЭС

Корпус активной молниезащиты, как правило, изготовлен из нержавеющей стали, что позволяет обеспечить устойчивость к коррозии. Аэродинамическая конструкция МОЭС позволяет, как и классическим стержневым молниеприемникам, с успехом противостоять давлению ветра при грозе.

Разные типы корпусов МОЭС на примере молниеприемников Forend

Зоны защиты МОЭС

Основной характеристикой МОЭС является время опережения — ΔT, измеряемая в микросекундах. Другими словами, это разница во времени инициирования устойчивого восходящего лидера от МОЭС ранее, чем от «пассивного» молниеприемника аналогичной высоты. Этот параметр определяется экспериментально для каждого типа молниеприемника при моделировании реальных условий грозовой деятельности в лаборатории высокого напряжения.

Выбор конкретной модели МОЭС зависит от характеристик защищаемого объекта, требуемого уровня защиты, радиуса зоны защиты и высоты установки молниеприемника. Радиус (Rp) защиты МОЭС зависит от времени опережения (ΔT) и высоты (h) его установки.

Таблица 2. Зависимость радиуса защиты МОЭС от основных его характеристик

Как видно из приведенной таблицы, оптимальным, с точки зрения размеров зоны защиты и финансовых затрат, является установка МОЭС на высоте 6 метров над самой верхней точки защищаемого объекта. Радиус защиты, который в отдельных случаях может доходить до 107 метров, МОЭС позволяет одним молниеприемником обеспечить защиту площади до 36 тыс. кв. м с большей надежностью, чем классические виды пассивных молниеотводов. При необходимости защиты здания большей площади можно использовать 2-3 таких молниеприемника.

Количество молниеприемников

Сравним зоны защиты МОЭС Forend EU (ΔT=60 мкс) с зоной защиты стержневого молниеотвода. Радиус защиты данного устройства на 6-метровой мачте составляет 97 метров для III уровня защиты (наиболее распространен). В то же время рассчитанный по защитному углу стандарта IEC 62305-3:2010 для стержневого молниеприемника той же высоты (высота мачты+высота корпуса МОЭС=6,5 метров) радиус зоны защиты составит 15,3 метра (угол при вершине α=67 о ).

Для защиты здания размерами 48×180 метров необходимо использовать либо один расположенный в центре крыши здания активный молниеприемник, либо двадцать классических стержневых молниеприемников той же высоты.

Схема соотношения активной молниезащиты (слева) к пассивной (справа)

Еще более наглядно выглядит пример защиты нескольких близко расположенных зданий. Так, для защиты сооружений, стоящих неподалёку друг от друга, размеры одного из которых 48×90, а другого — 48×160, достаточно всего одного МОЭС типа Forend EU либо тридцать восемь классических стержневых молниеприемников той же высоты.

Активная защита двух близкорасположенных зданий в сравнении с пассивной

Размеры зоны защиты МОЭС позволяют уменьшить по сравнению с классическими пассивными системами молниезащиты общее количество молниеприемников на протяженных территориях и крупных объектах, а также снизить объем и общую стоимость материалов и работ при их возведении и ежегодном техническом обслуживании.

Перспективы

В конце 2020 года принят межгосударственный стандарт по системам молниезащиты с опережающей эмиссией стримера — ГОСТ 34696-2020 «Системы молниезащиты с опережающей эмиссией стримера. Технические требования и методы испытаний», определяющий порядок применения указанных систем. Есть надежда, что данный норматив вскоре будет введен в действие на территории России.

В настоящее время компанией «Электра», как одной из разработчиков ГОСТ 34696-2020, создана «Инструкция по защите от прямого удара молнии зданий, сооружений и открытых территорий системами с опережающей эмиссией стримера. Проектирование, монтаж, эксплуатация и техническое обслуживание». Документ представляет собой переработанный и дополненный собственный аутентичный технический перевод на русский язык стандарта Франции NF C 17-102 (редакция от сентября 2011 года) с французского и английского языков. Одновременно использованы применимые для МОЭС общие положения, термины, определения, требования и методы испытаний из государственных стандартов ГОСТ Р, распространяющихся на классические пассивные системы молниезащиты.

Применение упомянутой выше инструкции на территории Российской Федерации рекомендовано письмом СЦНТИ РЭА Министерства энергетики Российской Федерации от 22.09.2020 № 46.

Оптимальное решение

При проектировании молниезащиты необходимо сочетание эффективности защиты и экономичности проекта. При этом финансовая составляющая зачастую наиболее важна для заказчика, и является определяющим параметром в выборе между различными проектными решениями при прочих равных условиях.

Оптимальный выбор молниеприемников и их расположение на защищаемом объекте позволит также снизить затраты на прочие материалы (токоотводы в первую очередь) и земляные работы при устройстве заземления молниезащиты. Так, для отвода тока молнии в случае применения МОЭС необходимо всего два токоотвода на каждый из них. В то же время, при использовании классических пассивных молниеприемников, большее количество вертикальных, расположенных по стенам здания, токоотводов и грамотная конструкция заземлителей способствует более равномерному распределению тока молнии и стабильности электромагнитной обстановки внутри здания.

Безусловно, молниеприемники МОЭС не смогут полностью заменить традиционные, проверенные сотней лет, стержневые и тросовые молниеотводы. Оба продукта должны сосуществовать одновременно, а применение того или иного должно обуславливаться, прежде всего, эффективностью и целесообразностью финансовых затрат на защиту от риска прямого удара молнии.

Источник: Компания «Электра»

Источник