Молниезащита: что нового?

25 Декабря 2015
Молниезащита — что нового?

От молнии можно заранее скрыться. Следует знать, что наиболее опасный для жизни именно первый разряд — дождь еще не полился и люди суетятся, наскоро заканчивая работу или развлечения. На открытом месте прячьтесь подальше от высоких деревьев, столбов и мачт. В технике этот прием получил название «безопасное расстояние» — от тех элементов, которыми может протекать ток молнии. Лучше грозу переждать в машине или в доме. Уже не одно столетие сооружения оборудуются внешней молниезащитой, которая обычно состоит из молниеприемников, опусков, заземлителей и экранов. В последние десятилетия любопытное человечество изобрело еще несколько способов избежать Божьей кары.

Среди них:

  • Триггерный метод. В грозовую тучу запускается ракета, которая влечет за собой заземленный провод. Инициируется грозовой разряд на безопасном расстоянии от объекта. В этот способ американцы защищают космодром на мысе Канаверал перед запуском «челноков», а ученые обеспечивают «поставку» молний в определенное место с целью проведения детальных исследований.
  • Лазерный метод. В облако направляют луч лазера, корпус которого заземлен. Вследствие ионизации воздуха происходит разряд «облако-лазер». Такая защита защищает Форт Нокс, где содержится золотой запас США. Эта технология еще только развивается, длина искусственного канала разряда достаточно ограничена.
  • Нейтрализация зарядов. Вокруг объекта устанавливаются мачты с системой многих заостренных электродов, которые присоединены к заземлителям (традиционный же молниеприемник имеет один или несколько заостренных или закругленных верхушек). Приближение грозового облака приводит к интенсивному стоку из электродов зарядов противоположной полярности — электрический ветер. Объект обволакивается своеобразным электростатическим экраном. Никакого тебе грома, молнии (и электромагнитных импульсов). Этот способ еще не получил общего подтверждения и восприятия научно-техническим сообществом.
  • Активные молниеприемники. Призваны облегчать инициирование встречного разряда именно с молниеприемника, для чего имеют ионизирующее устройство (радиоактивный препарат или искровой промежуток). Эффективность этих молниеприемников продолжает дискутироваться научной общественностью. Следует иметь в виду, что приведенные и некоторые другие новые способы защиты еще почти не нашли своего отражения в нормативных документах различных стран.

Разряды молнии порождают электромагнитные импульсы, которые на значительных расстояниях (где-то до 2000 м) от места удара негативно влияют на работу многих электрических и электронных устройств и систем, от которых мы все больше зависим. В связи с действием токов и электромагнитных полей молнии на сооружения, коммуникации и разнообразные устройства возникает потребность во внутренней молниезащите и в соблюдении требований электромагнитной совместимости. Здесь применяются такие приемы как: уравнивание (выравнивание) потенциалов, защита от больших токов и ограничения перенапряжений, экранирование, безопасное расстояние.

Уравнивания потенциалов заключается в присоединении всех токопроводящих частей сооружения и коммуникаций, которые не находятся под напряжением, к шине уравнивания потенциалов в одной точке. В Европе эти требования действуют с 70-х годов, Россия приняла такую норму 6 лет назад, Украина — с 1 января 2002 года. Практическое применение нового ГОСТ 30331.1-95 монтажными организациями порождает много вопросов, в частности из-за отсутствия методической литературы.

Характеристики разрядов молнии

Для правильного проектирования молниезащиты и применения нормативных документов важно иметь достаточные сведения о характеристиках молний. Негативные молнии типа облако-земля составляют 90% всех разрядов между облаками и землей, поэтому далее в основном речь пойдет о защите именно от них. Другие категории разрядов — молнии негативные земля-облако (с высоких объектов), положительные (облако-земля и земля-облако) и в облаках. К счастью, подавляющее большинство разрядов молний происходит в облаках или между облаками. Положительная молния является более опасной из-за больших токов. Она получила название «красной» через специфическую окраску; также именно к ней относится термин «гром среди ясного неба», потому что часто она выходит сбоку верхней части грозового облака, имеет большую длину и поражает землю в зоне, где дождя еще нет.

Карта средней продолжительности гроз в год в часах для территории Украины
Карта средней продолжительности гроз в год в часах для территории Украины

О создании огромных грозовых зарядов существует много теорий. Лабораторные исследования и наблюдения с помощью радаров и самолетов показали, что формирование электрического поля в облаке тесно связано с присутствием кристалликов льда и переохлажденных капель. Градинки приобретают отрицательный заряд, а кристаллики льда — положительный. Центральная часть будущего грозового облака характеризуется мощными восходящими потоками воздуха, которые несут за собой до высот в 15 км легкие кристаллики льда, тогда как более тяжелые градинки попадают в центральную часть облака. Процессы такого рода во многом способствуют формированию в облаке участков, содержащие противоположные заряды. По законам электростатики, на поверхности земли (и всех предметах, на ней находятся) возникает заряд, знак которого (чаще всего - положительный) противоположно знака заряда нижней части облака. Наши босоногие предки умели хорошо чувствовать изменения электростатического поля. Возможно, недаром известный конструктор авиадвигателей и долгожитель академик Микулин принудительно присоединял себя к заземлению на работе и во время сна.

Напряженность электрического поля между землей и облаком, которое необходимо для инициирования молнии, зависит от изоляционных свойств воздуха и составляет от 0,5 до 10 кВ / см. Далее события разворачиваются следующим образом. Порции отрицательных зарядов продвигаются «шагами» длиной около 50 м с продолжительностью пауз в среднем по 50 мкс. Это и является причиной «ломаной» формы канала разряда молнии — она меняет свое направление каждые 50 м и уже вблизи земли «решает», какой именно объект поразить. Благодаря развитию этого первичного (обычно сильно разветвленного) канала так называемого лидера происходит предварительное разряжение облака; центральная его часть - канал имеет диаметр около 5 см и достаточно высокую проводимость. Ток лидера может достигать несколько сотен Ампер. Когда лидер приближается к земле, навстречу развивается так называемый встречный разряд, что приводит к началу главного разряда (обратного удара), во время которого нейтрализуется заряд лидера. Ток обратного удара составляет несколько десятков и даже сотен кило Ампер. Именно импульсы обратного удара человеческий глаз воспринимает как отдельные яркие вспышки молнии. Температура канала при этом составляет от 20 000 до 30 000 °С, что поддерживает в течение некоторого времени и после импульса обратного удара термическую ионизацию в воздухе и способствует появлению вторичных ударов траектории канала первого. Взрывное развитие канала воспринимается как гром.

Подробную информацию о молнии предоставляют современные системы локации. Известно, что импульсное электромагнитное поле, порожденное молнией, распространяется от места разряда со скоростью света. Станции измерения регистрируют этот импульс, связанные высокоточной системой единого времени на базе глобальной системы позиционирования. По результатам централизованной обработки определяют время, место удара с точностью до 500 м, количество ударов, амплитуды токов и полярность разряда. Например, для Германии составляются карты грозовой активности по зонам размером 50x50 км с такими градациями удельной плотности разрядов типа земля-облако и облако-земля: 9-13; 7-9; 4-7; 3-4; 2-3; 1-2 и 1 ударов / км2-х в год. Кроме создания баз данных, выявления опасных регионов и решения страховых случаев, эти системы позволяют заранее предупредить о приближении грозы. Важные учреждения временно переходят на электропитание от собственных источников, прерываются ремонтные работы на высоковольтных линиях электропередач, приостанавливаются работы на стройках и горных производствах и тому подобное.

Украина еще не имеет развитой системы локации молний. Даже в тех странах, где и есть такие системы, информацию о количестве разрядов молний, амплитуду и полярность их тока на отдельных объектах дополнительно получают и более простыми средствами. В частности, в практике молниезащиты с целью регистрации количества разрядов используют специальные счетчики, а для определения максимального тока молний, поразивших определенною сооружение, магнитные карточки стандартного размера. Например, магниточувствительная карточка (ре Сuггеnt. Sensor, РСS) выглядит точно так же, как магнитные банковские карты или проездные билеты киевского метрополитена, но способна «запоминать» максимальное значение тока. Карточки в пластиковых кассетах обычно устанавливают на токоотводах системы молниезащиты. Периодически или в случае анализа нештатных ситуаций осуществляют считывание данных специальным прибором. Сервисное обслуживание таких карт может осуществляться с пересылкой их по почте.

Чаще всего встречаются молнии с током 20 - 30 кА. Больше всего гроз гремит в течение летних месяцев, а с октября по март их практически нет. Следует понимать, что интенсивность гроз зависит от времени суток и сезона и меняется из года в год. Как уже упоминалось, разряд молнии обычно состоит из нескольких ударов (импульсов) — в среднем 2-3 (а в некоторых разрядах наблюдалось и 45!). Относительно новым является введение испытаний отдельных видов оборудования импульсом тока с параметрами 10/350 мкс. Таким одним импульсом моделируют эквивалентное энергетическое воздействие молнии от всех ударов в разряде. Часто опасно действует еще и непрерывный ток, протекающий между облаком и землей в течение разряда молнии.

Результаты наблюдений за грозовой деятельностью

Результаты наблюдений за грозовой деятельностью, как правило, представляются в виде следующих характеристик:

  • грозовые часа (Тh)
  • плотность разрядов молний на 1 км2 земной поверхности в течение года (Nq)
  • интенсивность грозы

Грозочасы в Украине составляют:

  • 40-60 в Крыму;
  • 60-80 в центре, на севере и юге;
  • 80-100 на востоке и западе;
  • более 100 в отдельных регионах Карпат и так называемых зонах местных гроз (промышленные районы, Киев и др.).

Ориентировочно связь между грозочасами Тh и плотностью разрядов Nq (разряды в землю) для условий Украины может быть установлен исходя из предположения, что на каждый грозовой день приходится от 1,5 до 2,0 грозочасов. Заметим, что высокое значение, которое фигурирует при определении класса молниезащиты согласно немецкому стандарту DIN V ЕNV 61024-1, составляет лишь Nq = 4,5 ударов / км2 год. В Украине интенсивность гроз не является меньшей, а в отдельных регионах есть заметно больше, чем в странах Центральной и Северной Европы, где вопросам молниезащиты уделяют значительно больше внимания.

Молниезащита — современное состояние и потребности

Среди современных тенденций развития технологий в различных отраслях можно назвать расширение применения электронных устройств и их миниатюризацию. Последнее делает эту технику все более уязвимой к действию электромагнитных импульсов. С другой стороны, стремительное распространение электроники увеличивает вероятность ее поражения. Образуются своеобразные «ножницы», если не принимать меры предосторожности. Прежде всего, следует предусматривать создание надлежащих «электромагнитных условий» для современной электроники в строящихся или реконструируемых зданиях. У нас уже вошли в норму «Евроремонт», бронированные двери, системы кондиционирования, фильтры на водопроводе и тому подобное. Об электронике же зачастую забывают, наивно полагая, что из розетки, к которой ее присоединят, потечет «кристально чистые» 50 Гц. А чувствительная электроника рассчитана на использование именно с защищенными сетями питания, связи и т.п. У высотных домов, для которых следует ожидать 3-4 прямых поражений молнии в течение одного года, к тому же возможны так называемые боковые удары, когда точка контакта сооружения с каналом молнии находится на 20-30% ниже верхней отметки.

Подбирая ценную аппаратуру для новейших систем связи, автоматику, компьютерную и микропроцессорную технику, следует принимать во внимание степень их устойчивости к электрическим импульсам. По международным нормам насчитывается 4 категории устройств по уровню перенапряжений, которые они должны выдерживать 1500 В в I и 6000 В в IV. Выполнение требований по электромагнитной совместимости является одним из непременных составляющих успеха в этом деле. Это позволяет ожидать как на постепенное уточнение статистических данных о характеристиках гроз и молний в Украине, так и на более систематизированный учет случаев поражений и адаптацию нормативно-технической документации к новым условиям. В Украину уже пришли новые технологии и материалы, в том числе и в строительство, но широкому внедрению новых продуктов и технологий в области молниезащиты еще не уделено достаточного внимания.

Электротехническая компании E.NEXT-Украина предлагает полный комплекс услуг в построении систем молниезащиты и заземления: от обследования объекта и разработки оптимального решения для него до непосредственного монтажа и сервисного обслуживания.

Молниезащита — современное состояние и потребности


Вернуться к списку