Молниезащита зданий и сооружений: как повысить ее надежность

OA. Кравченко, инА. ММ. РезииНина. Нтм,

Молниезащита зданий и сооружений является одним из важных факторов, оказывающих влияние на стоимость проектирования, строительства и обслуживания зданий и сооружений различного назначения. Если не принимать меры по предотвращению поражения этих объектов молнией, то расходы на компенсацию мстериальиых потерь могут многократно превысить раходы иа разработку и применение средств молниезощиты. Поэтому решению проблемы молниезощиты зданий, сооружений и других промышленных объектов уделяется большое внимание во всех странах, в том числе и в Украине,

Поражение молнией наземных объектов и их молниезащита непосредственно связаны с природой электрофизических процессов зарождения и развития молнии. Как известно, процесс развития молнии начинается с того, что в зоне грозовых облаков, где напряженность злектрического поля достигает критического значения, начинается ударная ионизация, создаваемая свободными электронами. Эти электроны, сталкиваясь с атомами воздуха, ионизируют их, вызывая возникновение электронных лавин, переходящих в нити электрических разрядов - стримеры. Стримеры при слиянии дают начало термои-онизованному каналу с высокой проводимостью - ступенчатому лидеру молнии. По мере продвижения лидера к земле на его конце усиливается напряженность электрического поля, и под действием этого лидера из выступающих на поверхности земли предметов выбрасывается ответный стример, который соединяется с лидером. Именно эта особенность молнии используется для создания молниеотвода.

В заключительной стадии по ионизованному лидером каналу со скоростью до 10 м/с следует обратный или главный разряд молнии, сопровождающийся появлением электрических токов в десятки и даже сотни тысяч ампер.

В настоящее время вопросы повышения надежности молниезащиты зданий и сооружений изучаются, как правило, на основе анализа простых инженерных формул [1], а также экспериментально на моделях, геометрически подобных реальным молниеотводам; в данной работе эти вопросы рассмотрены на основе расчета электрического поля в окрестности стержневого молниеотвода и защищаемых им объектов.

Расчет электрического поля в окрестности молниеотвода и защищаемых им объектов

При разработке молниезащиты зданий и сооружений необходимо оценить ее надежность, т.е. определить зону защиты молниеотводом той части пространства, внутри которого вероятность прямого удара молнии составляет 10 ~ 10. Другими словами, молниеотвод должен перехватывать более 99% молний (согласно принятой классификации зона защиты типа А должна иметь надежность 99,5% и выше, типа Б - 95% и выше) [1].

Вероятность поражения защищаемого объекта молнией определяется соотношением между напряженностью злектрического поля на объекте Eg и на молниеотводе £ . Для определения количественных соотношений между этими напряженностями необходимо выполнить расчет распределения электрического поля с учетом взаимного расположения защищаемого объекта и молниеотвода, а также их свойств [2].

-50-

Такой расчет выполнен для объектов J и (металлических стержневых электродов), расположенных в зоне надежной защиты одиночного стержневого металлического молниеотвода 3 высотой h (рис. 1).

Результаты расчета распределения напряженности электрического поля, выполненного с помощью метода эквивалентных электрических зарядов, при котором каждый из/с-ых стержней радиуса имитирующих канал лидера, молниеотвод и защищаемые объекты, разбивался на N частей таким образом, чтобы в пределах 7-ой части плотность заряда на единицу длины стержня изменялась по линейному закону, а наличие границы раздела сред воздух - земля учитывалось методом зеркальных отражений, приведены на рис. 2.

На этом рисунке показаны линии одинаковой напряженности электрического поля (значения потенциалов даны в вольтах) в окрестности молниеотвода, расположенного во внешнем однородном электрическом поле напряженностью Eq=1 В/м и имеющего высоту НЮгл при соотношении h/Rf = 1000 (/? - радиус молниеотвода). Здесь приняты обозначения: / - расстояние от оси молниеотвода до границы зоны защиты; b - высота от поверхности земли.

Анализ результатов расчета электрического поля в зоне защиты объектов молниеотводом

Из рис. 2 следует, что электрическое поле в окрестности молниеотвода существенно искажается и имеет две резко выраженные характерные области / и II, границей которых является линия равного потенциала (на рисунке она обозначена пунктирной линией): I - область с повышенной напряженностью поля, расположенная над молниеотводом и прилегающая к нему; Я - область с пониженной напряженностью поля, расположенная ниже высоты молниеотвода. Вследствие искажения электрического поля лидер молнии вблизи молниеотвода отклоняется либо по направлению к нему (если лидер окажется в области Г), либо в противоположном направлении (если, он, не достигнув области J, попадет в область IT). При этом максимальный радиус области II совпадает с расстоянием от оси молниеотвода до границы зоны защиты.

Зона защиты объекта одиночным молниеотводом ограничивается поверхностью конуса с вершиной, расположенной ниже высоты молниеотвода [1]. В бывшем СССР, а в настоящее время в Украине и в других странах СНГ эта зона определяется линией 6 на рис. 1 [1]; за рубежом эта зона, согласно теории катящегося мяча [3] (линия 4) или согласно теории минимальное время - максимальная ве-ройтность [4] (линия 5), меньше зоны, определяемой отечественными нормативными документами.

Однако во всех случаях нормируемых зон защиты объектов одиночным молниеотводом топология электричес-

-51-

кого ПОЛЯ характеризуется наличием двух областей - с повышенной {I рис. 2) и с пониженной {II, рис. 2) напряженностью злектрического поля по отношению к внешнему полю. При этом защищаемые объекты следует располагать в зоне, в которой присутствие молниеотвода вызывает искажение или возмущения электрического поля и приводит к тому, что в этой зоне напряженность электрического поля при грозовой обстановке отличается от напряженности внешнего поля Eq, причем отличие EJ от fp зависит оттого, какая из зон защиты принята: зона, ограниченная линиями 4,5 или 6 на рис. 1. Так, сопоставление известных экспериментальных и полученных расчетных данных показывает, что для нормируемой в странах СНГ зоны защиты это отличие составляет ±1% (101% для области I на рис. 2 и 99% для области II на рис. 2).

На рис. 3 приведены результаты расчета распределения эквипотенциальных линий в окрестности молниеотвода и объектов 2, расположенных в зоне его защиты (см. рис. 1). Расчет был выполнен при следующих исходных данных; высота молниеотвода = 10 м; канал лидера расположен над объектом 2 и имеет высоту Н = 20 м; отношение высоты молниеотвода к радиусу его поперечного сечения h/R = 1000; потенциал <р = 1В.

Аналогичные расчеты были выполнены для различных высот канала лидера ( =20 -ь200 м) и показали, что напряженность электрического поля на уровне высоты молниеотвода и выше, вызванная наличием защищаемого объекта, не должна более чем на 11% превышать напряженность элекфического поля на той же высоте при отсутствии защищаемого объекта (для зоны защиты, принятой в Украине и в других странах СНГ).

Выводы

На основе выполненных расчетов распределения электрического поля одиночного молниеотвода можно сформулировать следующие основные критерии надежности средств молниезащиты:

1. Защищаемый объект должен находиться в зоне возмущения электрического поля молниеотвода.

2. Для объектов, расположенных на краю зоны защиты молниеотвода, прорыва молнии не произойдет, если вызванная присутствием этих объектов область повышенной напряженности электрического поля будет полностью находиться в зоне ослабленного поля молниеотвода.

Литература:

1. РД 34,21.122-87 Инструкция по устройству молниезащиты зданий и сооружений. - М.: Энергоатомиздат, 1989. -56 с.

2. Кравченко О.А., Резинкина М.М. Разработка критериев численной оценки надежности средств молниезащиты / Новини енергетики. - 1999. - № 12. - С.51-54.

3. The International Standard, CEI/IEC 1024-1, Protection of structures . Parti: General Principles, 1990.

4. Briet R. Application of the LT-MP principle to the theory of lightning propagation The International Journal ofEMaM, ITEMTM, - 1997. - P. 91.

Опубликовано в ЭП, № 10, 2001

-52-