Разрушения, пожары, унесенные жизни – таковы трагичные последствия прямого удара молний в здания, ежегодный ущерб от которых в России выражается в сотнях миллионов рублей. Если для защиты ЛЭП предлагаются различные устройства (о них «Новости Электротехники» уже неоднократно рассказывали), то проблема защиты от прямых ударов молнии маловысотных зданий и сооружений до сих пор окончательно не разрешена. А это подстанции, распределительные устройства, высокотехнологичные компьютеризированные комплексы, опасные производства, хранилища… Сегодня у нас есть возможность познакомиться с материалом, основанным на исследованиях научного центра, работавшего в прошлом исключительно для нужд «оборонки». Автор статьи подробно рассматривает вопросы выбора зон защиты молниеотводов и нормирования надежности молние- защиты объектов высотой до 15 м.

МОЛНИЕЗАЩИТА МАЛОВЫСОТНЫХ СООРУЖЕНИЙ ИССЛЕДОВАНИЯ И ИСПЫТАНИЯ Василий Куприенко, к.т.н., доцент, начальник отдела НИЦ 26 ЦНИИ, г. Санкт-Петербург

Разряд молнии – одно из самых древних природных явлений – вновь и вновь привлекает к себе внимание и прежде всего из-за внедрения в различных хозяйственных областях АСУ и компьютерных технологий, чувствительных к разрядам молнии и ее вторичным проявлениям. С этим связано жесткое нормирование молниезащиты зданий и сооружений как на международном уровне, так и в России. Достоверность расчета и выбора схем молниезащиты должна быть обоснована результатами экспериментальных исследований при процессах, подобных разряду молнии. Необоснованность нормативных требований по устройству молниезащиты зданий и сооружений приводит к катастрофическим последствиям в результате прямых ударов молнии.
Проблема защиты от прямых ударов молнии (ПУМ) зданий и сооружений различного назначения разрабатывается на протяжении многих десятилетий, но до сих пор не до конца разрешена. Это касается прежде всего защиты маловысотных объектов (высотой до 15 м), которые могут поражаться преимущественно нисходящими разрядами молнии отрицательной или положительной полярности [1]. Свидетельством всплеска интереса к данной проблеме является пакет документов МЭК по молниезащите зданий и сооружений [2] и запланированная переработка при поддержке Госэнергонадзора российских норм по молниезащите [3]. Возросли требования со стороны МЧС и других контролирующих ведомств к состоянию молниезащиты эксплуатируемых и вновь возводимых объектов.

Общепринятые методики расчета зон защиты
Нормы, по которым выполняется проектирование систем молниезащиты, основаны на расчете и выборе зон защиты стержневых или тросовых молниеотводов при заданной надежности защиты объекта. Для расчета зон защиты используются геометрическая, электрогеометрическая и вероятностная методики. При этом надежность защиты Р_Н (или вероятность прорыва молнии Р_П) определяется категорией объекта и устанавливается в пределах от Р_Н = 0,99 до Р_Н = 0,9999.
Существующие методы расчета вероятности прорыва и определения надежности устройств молниезащиты базируются на результатах экспериментальных исследований и многолетних наблюдений за эксплуатацией объектов молниезащиты. Экспериментальные данные, которые положены в основу методик расчета и выбора устройств молниезащиты, были получены 50-60 лет назад в лабораторных условиях для разрядных промежутков ограниченной длины [4, 5]. Аналогом молнии являлся искровой разряд, формируемый импульсом положительной полярности 1,5/1000 мкс между высоковольтным электродом и заземленной (металлической) плоскостью. Аналогом молниеотвода являлся металлический стержень, установленный на плоскости под высоковольтным электродом, а аналогом объекта – второй металлический стержень меньшей длины. Перемещением одного стержня относительно другого определялись зоны защиты молниеотвода.
Такая методика экспериментального определения зон защиты является недостаточно корректной, т.к. не учитывает геометрические размеры защищаемого объекта, а физика развития разрядов в коротких искровых промежутках имеет мало общего с физикой развития разряда молнии.
Статистические данные многолетних наблюдений также не могут быть положены в основу сколько-нибудь серьезной методики расчета и выбора устройств молниезащиты, поскольку для отдельного объекта они представляют собой единичное явление, по которому невозможно сделать серьезные выводы. Исключение составляют линии электропередачи, систематическое поражение которых может быть обобщено в виде методики расчета и выбора угла защиты тросового молниеотвода.

Концепции определения действия молниеотводов
К настоящему времени сложились две концепции расчетного определения защитного действия молниеотводов. Обе концепции исходят из того, что лидер молнии реагирует на объект, возвышающийся над поверхностью земли, с некоторой высоты Н₀, которая называется высотой ориентировки, или с так называемого расстояния поражения [1].
Первая концепция основывается на определении электрической прочности разрядных промежутков, образованных лидером на высоте ориентировки и заземленными объектами на поверхности земли. На базе этой концепции разработана электрогеометрическая методика расчета зон защиты объекта. Суть методики заключается в том, что из точки на высоте ориентировки молнии определенным радиусом очерчивается окружность, касающаяся вершины самого высокого объекта (молниеприемника) и земли. Расстояние между точками касания вершины молние-приемника и земли и является радиусом зоны защиты r_O по электрогеометрической методике.
Вторая концепция основана на том, что лидер, достигший высоты ориентировки Н₀, с различной вероятностью может перекрыть любой из промежутков на поверхности земли, в том числе и более длинный. Разработанная на ее основе методика вероятностной оценки надежности систем молниезащиты включает ряд допущений, основанных на результатах малоубедительных экспериментальных исследований, в результате чего эта методика необоснованно завышает или занижает конфигурацию зон защиты. Например, справедливо, что вероятность прорыва молнии во внутреннюю область между несколькими близко расположенными молниеприемниками значительно меньше, чем во внешнюю область [1], но вывод о том, что зона защиты многократных молниеотводов должна быть больше суммарного объема зон защиты каждого молниеотвода в отдельности, не подтверждается результатами проведенных нами экспериментальных исследований. Расчеты по вероятностной методике дают необоснованно завышенную надежность молниезащиты, которая также подтверждается результатами исследований в длинных искровых промежутках.

Экспериментальная оценка общепринятых методик
Ниже приведены некоторые результаты сравнительных испытаний различных схем молниезащиты, которые показали ошибочность определения зон защиты по общепринятым методикам. Обширные полевые испытания схем молниезащиты проводились в длинных (S Ј 25 м) искровых промежутках. Исследовалась молниезащита условных объектов в масштабе до 1/10 натуральной величины.
Полевые испытания проводились в широком диапазоне изменения геометрических размеров объекта защиты, схем молниезащиты и условий их заземления. Аналогом разряда молнии являлся импульсный разряд положительной полярности длительностью 250/2250 мкс между высоковольтным электродом и землей. Разряд формировался генератором импульсных напряжений на 6 МВ и энергией 0,96 МДж (его фото и объект испытаний – на рис. 1).
Экспериментальные исследования в длинных искровых промежутках показали сильную зависимость поражаемости объекта от полярности молниевого разряда. В таблице 1 приведены результаты определения поражаемости условного объекта разрядами различной полярности. При положительной полярности число поражений объекта составило менее 50%, независимо от величины его сопротивления заземления R_З (см. пп. 1, 2 табл. 1). В случае изоляции объекта от земли его поражаемость уменьшилась до 30% от общего числа разрядов N (см. п. 3 табл. 1).
При отрицательной полярности поражаемость этого же объекта составила 96% от общего числа разрядов (см. п. 4 табл. 1).
Результаты испытаний показали, что при положительной полярности поражаемость условного объекта носит вероятностный характер и является аналогом разряда молнии в многокилометровом промежутке.

Одностержневые молниеотводы Вероятностный характер развития разряда подтверждается результатами испытаний одностержневого молниеотвода высотой h = 10 м в разрядном промежутке S = 25 м. При испытаниях импульсами положительной полярности с различной вероятностью перекрывался промежуток длиной 15 м между вершиной молниеотвода и высоковольтным электродом и промежуток длиной 25 м между электродом и землей. Фото перекрытия более длинного промежутка между электродом и землей при испытании одностержневого молниеотвода – на рис. 2 (фото НПО «Стример»). Результаты испытаний опровергают первую концепцию определения защитного действия молниеотводов и, значит, разработанный на ее основе электрогеометрический и геометрический методы расчета, которые используются при нормировании зон защиты молниеотводов. В таблице 2 приведены результаты испытаний надежности PH одностержневых молниеотводов. Исследования показали, что надежность одностержневой молниезащиты наиболее объективно характеризуется углом защиты, определяемым от вершины молниеотвода высотой h до наиболее удаленной от молниеотвода точки rX объекта на его высоте h0. При угле защиты a Ј 30º надежность защиты PH = 1, что соответствует уровню 3-х или 4-х девяток, устанавливаемому требованиями действующих нормативных документов. При известном расстоянии rX и заданном угле защиты a высота молниеотвода, обеспечивающая заданную надежность, определяется по выражению: h = h, + h0 , где h,= rX / tg a – превышение молниеотвода над объектом, обеспечивающее заданный угол защиты a. Двухстержневые молниеотводы Полярность разряда длинной искры влияет не только на поражаемость объекта, но и на надежность схем молниезащиты. В таблице 3 приведены результаты исследований надежности молниезащиты модели объекта с двухстержневыми молниеотводами при различной полярности импульсного разряда. Испытания показали, что при отношении расстояния между молниеотводами L к его высоте h равном L/h = 2,73 для положительной полярности надежность защиты составляет PH = 0,82, а при отрицательной полярности PH = 1,0. Тогда как поражаемость объекта PП, приведенная в таблице 1, имеет обратную зависимость. Всё это подтверждает вероятностный характер разряда длинной искры положительной полярности и его подобие разряду молнии. Поэтому все дальнейшие испытания проводились при импульсах положительной полярности в длинных искровых промежутках. Результаты исследований надежности различных схем двухстержневой молниезащиты для условного объекта размерами 5 х 2 х 0,35 м приведены в таблице 4. Даже при ограниченном числе разрядов, приведенных на рис. 3, 4, видно, что поражение модели носит вероятностный характер. Анализ результатов испытаний, приведенных в таблице 4, показал, что при отношении L/h і 2 надежность защиты не превышает PH Ј 0,99. Тогда как в нормативах при соотношении L/h і 2 надежность устанавливается на уровне PH = 0,9999. Для обеспечения надежности на уровне PH = 1 отношение L/h должно быть меньше двух (см. пп. 3, 4 таблицы 4). На рис. 5 показана зона защиты 2, рассчитанная по действующим нормативным документам при L/h = 2, и зона 1 защиты двухстержневого молниеотвода, полученная в результате испытаний. Заштрихованная область 3 – участки, не обеспеченные защитой. Именно в эту область наблюдались единичные прорывы длинной искры в серии испытаний из 100 воздействий. Результаты испытаний показали, что зона защиты двухстержневых молниеотводов не превышает зоны защиты одностержневых молниеотводов. Эти данные радикально расходятся с размерами зон защиты двухстержневых молниеотводов, полученными в результате испытаний в коротких разрядных промежутках. Для надежности молниезащиты на уровне PH = 0,99 выбор высоты двухстержневых молниеотводов осуществляется следующим образом:

1 – зона защиты двухстержневым молниеотводом; 2 – зона защиты, рассчитанная по действующим НД; 3 – незащищенные участки; L – расстояние между молниеотводами; l – расстояние от молниеотвода до объекта; h – высота молниеотвода; a – длина объекта; b – ширина объекта; rX – радиус зоны защиты; r0 – радиус защиты на уровне земли

h = L/2 = r₀, где L = a + 2l;

a – длина объекта;
l – расстояние от молниеотводов до объекта;
r₀ – радиус защиты молниеотвода на уровне земли.
При защите объекта с надежностью P_H » 1 рассчитывается радиус зоны защиты r_X на уровне высоты объекта h₀:

r_X=Ц(r₀²+(b/2)²)

Одиночный тросовый молниеотвод
Зона защиты одиночного троса определяется по существующим методикам аналогично зонам защиты стержневых молниеотводов и не отражает его действительных защитных характеристик.
Результаты испытаний надежности тросового молниеотвода при защите условного объекта размерами 5 х 2 х 0,35 м в длинном искровом промежутке представлены в таблице 5. Испытания показали, что, если в схему двухстержневой молниезащиты, надежность которой составляет P_H = 0,87 (см. п. 6 табл. 4), установлен одиночный трос на высоте h_T = 2,2 м, то ее надежность повышается до P_H = 1 (см. п. 1 табл. 4). Очевидно, что одиночный тросовый молниеотвод обеспечивает более высокую надежность молниезащиты по сравнению со стержневыми молниеотводами.
Испытания позволили сделать вывод, что надежность тросовой защиты может быть рассчитана по углу защиты a до наиболее удаленной точки объекта на его высоте h₀. При угле защиты a Ј 30º надежность тросовой защиты будет максимальной (P_H » 1 ).
Высота подвеса одиночного троса, обеспечивающего надежность защиты на уровне P_H, определяется по формуле:

h_T=b/(2 tg a)+h₀

Расчетно-экспериментальная методика
Надежность защиты, положенная в основу требований всех нормативных документов, устанавливается на уровне P_H = 0,999 и 0,9999, зависит от множества факторов и трудно объяснима с практической точки зрения. Например, за счет чего та или иная схема имеет надежность 0,999 при вероятностном характере их поражения? Тем не менее все нормативные документы определяют защиту объектов именно таким образом, повышая требования к надежности схем защиты от документа к документу без достаточных на то оснований. Получить высокую надежность для любой схемы молниезащиты при расчете по вероятностной методике достаточно просто, так как при ее определении используются понятия о вероятности ориентировки и вероятности выбора, которые рассчитываются по коэффициентам, полученным в результате испытаний в разрядных промежутках малой длины.
Возможно, когда будут собраны объективные экспериментальные данные по сравнительным испытаниям различных схем молниезащиты в длинных искровых промежутках положительной полярности, вероятностная методика будет востребована для оценки надежности молниезащиты.
На данном этапе предлагается расчетно-экспериментальная методика оценки надежности схем молниезащиты, которая базируется на результатах экспериментальных исследований.
В основу методики может быть положено понятие о стопроцентной надежности молниезащиты, которая получена при испытании конкретной схемы для самого тяжелого варианта ее нагружения. Испытания в длинных искровых промежутках для наихудшего варианта воздействия исключают такое понятие, как вероятность ориентировки разрядов, и они всегда будут ориентированы на объект молниезащиты.
В этом случае надежность схемы молниезащиты может быть оценена из ограниченного числа воздействий, например, из 100. Если из ста воздействий не возникает ни одного прорыва, то система молниезащиты является надежной на 100%. Если в системе наблюдаются прорывы к объекту, то надежность снижается в зависимости от количества поражений при определенном числе разрядов. Расчетно-экспериментальная методика не учитывает среднестатистическую плотность разрядов молнии в год для данной местности. Этот показатель для объектов высотой до 30 м в европейской части России составляет N < 0,1 год^-1, что многократно увеличивает суммарную надежность схем молниезащиты, выбранных расчетно-экспериментальным методом. При этом надежность схемы молниезащиты, равная 1 (100%), является эквивалентом надежности на уровне 0,999 и выше, но только более понятной и объяснимой.
Если при проектировании схемы молниезащиты учитывается ее экономическая целесообразность, то надежность может быть выбрана по приемлемому числу поражений за время ее эксплуатации. Такой подход согласуется с определением надежности по нормам, разработанным Международной электротехнической комиссией (МЭК) для объектов различной категории защиты. По требованиям МЭК надежность защиты ограничивается на уровне 0,99, что всегда может быть подтверждено экспериментально.

В заключение следует отметить, что недопустимо, когда нормируется абсолютная надежность молниезащиты объекта (P_H = 0,9999), а он поражается в нескольких случаях из ста разрядов импульсами положительной полярности. С другой стороны, нормируемая высота подвеса одиночного троса, обеспечивающая надежную защиту от ПУМ маловысотных зданий, настолько завышена, что ее трудно реализовать на практике. Поэтому нормирование молниезащиты не может базироваться на результатах определения зон защиты в коротких искровых промежутках.
Новые данные, полученные в результате исследования надежности различных схем молниезащиты при воздействии импульсов положительной полярности в длинных искровых промежутках, целесообразно использовать при переработке норм по проектированию молниезащиты маловысотных зданий и сооружений, и, кроме того, они будут в целом полезны для лучшего понимания проблемы защиты объектов от прямых ударов молнии.

Литература

1. Базелян Э.М. и др. Физические и инженерные основы молниезащиты. – Л.: Гидрометеоиздат, 1978.
2. IEC 61024-1-1/ Protection of structure against lightning. Part 1. General principles. Section 1: Guide A. Selection of protection levels for lightning protection systems. – 1993.
3. Инструкция по устройству молниезащиты зданий и сооружений. РД 34.21.122-87 / Минэнерго СССР. – М.: Энергоатомиздат, 1989.
4. Акопян А.А. Исследование защитного действия молниеотводов //Труды ВЭИ. – 1940. – Вып.36. – С. 94-158.
5. Ларионов В.П. Молниезащита. Часть 2 // Электричество. – 1999. – N 4,7,9,11.