Надежны ли молниеотводы?

Из цикла статей "Молниезащита для новичков".

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

С тех пор прошло два с половиной века. Принципиально молниеотвод не изменился. Это все тот же заземленный стержневой электрод на зданиях или около них, а на линиях электропередачи - горизонтальный заземленный проводник, подвешенный над высоковольтными проводами. Ясно, что для надежной работы молниеотвод должен возвышаться над защищаемым сооружением. Вопрос, насколько выше, попытались разрешить только в середине прошлого века. Исследователи снова воспользовались аналогией между длинной искрой и молнией. В высоковольтном зале устанавливался макет защищаемого сооружения и макет его молниеотвода. Роль молнии выполняла искра длиной 1 – 5 м.

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 надежность 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 надежность: 0,9, 0,99 или 0,999. Расшифровать эти девятки легко. При надежности 0,9 к защищаемому объекту прорвется одна молния из десяти, при надежности 0,999 – одна из тысячи.

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

Тогда закономерно поставить простой вопрос – как определить надежность молниеотвода? Ответ представляется очевидным. Надо организовать наблюдение за различными сооружениями, защищенными молниеотводами. Легко представить во что это обойдется. Башня или опора высотой, скажем, в 30 м, смонтированная в средней полосе России, примет на себя в среднем примерно 1 удар молнии за 15 лет эксплуатации. Чтобы хоть как-то оценить надежность защиты на уровне 0,999 потребуется проследить никак не меньше, чем за 1000 молний. Для этого потребуется примерно 15 000 лет. Редкий экспериментатор согласится на такое. Время наблюдения можно сократить, увеличив число наблюдаемых объектов. Реально речь пойдет по крайней мере о нескольких сотнях, что потребует немало сил и денег.

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 надежности 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.

Метод не только прост, но даже изящен. В вашем распоряжении сфера строго заданного радиуса. Ее 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, извлеченные из многолетнего опыта эксплуатации и теории искрового разряда.

На рис. 3 стержневой молниеотвод, высота которого равна радиусу катящейся сферы для заданного уровня надежности. Сфера описывает коническую поверхность, которую надо считать границей зоны защиты молниеотвода. Смотрите, она начинается непосредственно от его вершины. Значит, близко расположенный объект молниеотвод может защищать с высокой надежностью без сколько-нибудь заметного превышения. Абсурдность этого следствия из метода катящейся сферы легко проверить хотя бы в лаборатории. Достаточно установить вплотную два стержня равной высоты, пометив один из них буквой М (молниеотвод), другой буквой О (объект). Теперь надо обстрелять конструкцию длинными искрами и посчитать число ударов в каждый из стержней. При равной высоте результат будет очевидным – поровну. Преимущество молниеотвода может выявиться только при его увеличенной высоте.

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 расчета 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 надежность 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

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.

Похоже, что не только микромир подчинен вероятностным законам. Статистическое описание приходится применять и для траектории молний. Невозможно предсказать путь конкретной молнии. Расчету поддается только вероятность ее появления в конкретном месте, определенная для серии из многих электрических разрядов. Отечественная методика расчета на законном основании названа статистической. Она оценивает вероятности двух событий. Сначала вычисляется вероятность ориентировки молнии в направлении системы наземных объектов (это может быть совокупность сооружений и защищающих их молниеотводов), а затем решается вопрос о выборе точки удара ориентированными молниями – на поверхности одного из молниеотводов или на защищаемом объекте. В расчетах фигурируют геометрические размеры молниеотводов и объектов, а главное, - два статистических параметра, стандарты ориентировки и выбора, которые определяют возможные пределы разброса траекторий. Их достоверное определение – очень большая проблема. Для ее приближенного решения используется статистика, накопленная при эксплуатации молниеотводов, в первую очередь, грозотросов на линиях электропередачи.

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 надежности защиты 0,9 она начинается не из вершины молниеотвода, а на 15% ниже; при надежности 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.

Когда в Москве восстанавливали храм Христа Спасителя, проектировщики учли, что при его значительной высоте надо ожидать практически ежегодного удара молнии. Не исключено, что этот удар произойдет в праздничный день, при большом стечении народа на паперти. Чтобы гарантировать безопасность прихожан, пришлось обеспечивать растекание тока молнии по очень разветвленной системе подземных шин, минимизировав тем самым шаговые напряжения.

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. Расчетные 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

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 ее решения.

Смотрите также:
• Бесплатные вебинары для проектировщиков с профессором Э.М. Базеляном
• Бесплатные вебинары для проектировщиков с доктором М. Лободой
• Серия статей "Молниезащита нефтегазовых объектов"
• Серия статей "Молниезащита жилых и общественных зданий"
• Заземление в молниезащите - ответы на частые вопросы при проектировании
• Консультации по выбору, проектированию и монтажу систем заземления и молниезащиты