ДЕН+ЗЁНЕ: ПРАКТИКА МОЛНИЕЗАЩИТЫ. ЧАСТОТА ПРЯМЫХ УДАРОВ МОЛНИИ

Задача проектировщика – предусмотреть надежную и целесообразную систему молниезащиты объекта. Чтобы определить необходимый и достаточный объем защитных мероприятий и устройств, ему необходимо не только учесть пожелания заказчика, но и составить собственное представление о потенциально возможном количестве прямых ударов молнии в защищаемое сооружение и об опасных воздействиях ее электромагнитного поля.
Ясно, что в первую очередь частота прямых ударов молнии зависит от частоты гроз в месте расположения объекта. Так, за полярным кругом гроз практически нет и о молниезащите там можно не беспокоиться, а в южных районах, например, в полосе субтропиков у Черного моря или в некоторых районах Сибири или Дальнего Востока, грозы – явление частое. Существуют карты интенсивности грозовой деятельности, на которых указана средняя продолжительность гроз в часах за год. Карты эти далеки от совершенства и малонадежны. Тем не менее они годятся для грубых оценок. Для средней части России речь может идти о 20–60 грозовых часах за год, что приблизительно эквивалентно n_M = 2–4 ударам молнии в год на 1 км² равнинной поверхности земли. Остается оценить, какая доля этих молний попадет в анализируемый объект.
Оценку можно произвести при помощи радиуса стягивания (Rст). Опыт показывает, что объект высотой h в среднем притягивает к себе все молнии с расстояния вплоть до R_ст 3h. Это и есть радиус стягивания. В плане надо провести линию, которая отстоит от внешнего периметра объекта на расстояние R_ст. Линия ограничит площадь стягивания (S_ст). Ее можно вычислить любыми методами (хоть по клеточкам на миллиметровке), а выраженное в квадратных километрах значение умножить на удельную плотность грозовых разрядов: N_М = n_MS_ст.
Столь приближенная оценка пригодна и для объектов сложной формы, отдельные фрагменты которых имеют принципиально различную высоту. Около каждого из фрагментов, исходя из их конкретной высоты, строится кривая, ограничивающая собственную площадь стягивания. Естественно, что частично они наложатся друг на друга. Во внимание должна быть принята только площадь, ограниченная внешней огибающей, как это показано на рис. 1. Она и определит ожидаемое число ударов молнии.

Два очевидных вывода из описанной методики оценки представляют практический интерес. Вопервых, число ударов молнии в сосредоточенный объект типа башни или опоры, у которого высота много больше других габаритных размеров, окажется пропорциональным квадрату его высоты, а у протяженных объектов (например, у линии электропередачи) – пропорциональным высоте только в первой степени. Другие по конфигурации объекты занимают промежуточное положение.
Во-вторых, при скоплении многих объектов на ограниченной территории, когда их площади стягивания частично накладываются друг на друга (городская застройка), число ударов молнии в каждый из объектов будет заметно меньше, чем на открытой местности. Возможна предельная ситуация, когда свободное пространство между объектами меньше их высоты. Тогда каждый из объектов практически будет собирать молнии только с площади своей крыши, а его высота перестанет играть хоть сколько-нибудь заметную роль. Всё это убедительно подтверждается опытом эксплуатации.
Есть еще одно обстоятельство, требующее некоторых пояснений. Предположим, оценивается число ударов в антенную мачту высотой 30 м. С хорошей точностью можно считать, что ее площадь стягивания представляет собой круг радиусом R_ст 3h = 90 м и примерно равна S_ст = 25 000 м² = 0,025 км². Если в месте размещения мачты удельная плотность разрядов молнии n_M = 2, то мачта ежегодно в среднем должна принимать на себя N_M = 0,025 х 2 = 0,05 удара молнии. Полученный результат надо трактовать следующим образом: в среднем 1 удар молнии будет происходить через каждые 1 / NM = 20 лет эксплуатации. Естественно, нельзя предсказать, когда такое случится на самом деле: в течение первого года после постройки, десятого или, например, девятнадцатого. В этом отношении все годы статистически равноценны.
Стоит еще раз обратиться к рассмотренному примеру и постараться оценить степень опасности молнии. Так, если мачта обеспечивает мобильную связь в маленьком поселке, то с позиций владельцев мобильных телефонов, можно, наверное, мириться с перерывом в связи, который может произойти один раз за 20 лет эксплуатации. У самой же телефонной компании подход, скорее всего, будет принципиально иным. Она эксплуатирует, скажем, 100 антенных систем, и вряд ли фирму обрадует перспектива ежегодного ремонта в среднем 100 : 20 = 5 антенных блоков. Как видите, законы больших чисел очень значимы в молниезащите.

Итак, число прямых ударов молнии оценено. Однако, само по себе оно ни о чем не говорит. На деле важна не частота молний, а прогноз в отношении аварийных ситуаций. Об этом мы поговорим в следующем номере журнала.

Техническую информацию, руководство по установке и монтажу молниезащиты, каталоги и печатные материалы по продукции DEHN+SÖHNE можно получить в представительстве компании в России.