7. ЗАЩИТНОЕ ДЕЙСТВИЕ И ЗОНЫ ЗАЩИТЫ МОЛНИЕОТВОДОВ
Ниже поясняется подход к определению зон защиты молниеотводов, построение которых осуществляется по формулам приложения 3 РД 34.21.122-87.
Защитное действие молниеотвода основано на "свойстве молнии с большей вероятностью поражать более высокие и хорошо заземленные предметы по сравнению с расположенными рядом объектами меньшей высоты. Поэтому на молниеотвод, возвышающийся над защищаемым объектом, возлагается функция перехвата молний, которые в отсутствие молниеотвода поразили бы объект. Количественно защитное действие молниеотвода определяется через вероятность прорыва - отношение числа ударов молнии в защищенный объект (числа прорывов) к общему числу ударов в молниеотвод и объект.
Существует несколько способов оценки вероятности прорыва, основанных на разных физических представлениях о процессах поражения молнией. В РД 34.21.122-87 использованы результаты расчетов по вероятностной методике, связывающей вероятность поражения молниеотвода и объекта с разбросом траекторий нисходящей молнии без учета вариаций ее токов.
Согласно принятой расчетной модели невозможно создать идеальную защиту от прямых ударов молнии, полностью исключающую прорывы на защищаемый объект. Однако на практике осуществимо взаимное расположение объекта и молниеотвода, обеспечивающее низкую вероятность прорыва, например 0,1 и 0,01, что соответствует уменьшению числа поражений объекта примерно в 10 и 100 раз по сравнению с незащищенным объектом. Для большинства современных объектов при таких уровнях защиты обеспечивается малое количество прорывов за весь срок их службы.
Выше рассматривалось производственное здание высотой 20 и размерами в плане 100 х 100 м, расположенное в местности с продолжительностью гроз 40-60 ч в год; если это здание защищено молниеотводами с вероятностью прорыва 0,1, в него можно ожидать не более одного прорыва за 50 лет. При этом не все прорывы в равной степени опасны для защищаемого объекта, например воспламенения возможны при больших токах или переносимых зарядах, которые встречаются не в каждом разряде молнии. Следовательно, на данный объект можно ожидать одно опасное воздействие за срок, заведомо превышающий 50 лет или для большинства промышленных объектов II и III категорий не более одного опасного воздействия за все время их существования. При вероятности прорыва 0,01 в то же здание можно ожидать не более одного прорыва за 500 лет - период, намного превышающий срок службы любого промышленного объекта. Такой высокий уровень защиты оправдан только для объектов I категории, представляющих постоянную угрозу взрыва.
Выполняя серию расчетов вероятности прорыва в окрестности молниеотвода, можно построить поверхность, являющуюся геометрическим местом положения вершин защищаемых объектов, для которых вероятность прорыва - постоянное значение. Эта поверхность является внешней границей пространства, называемого зоной защиты молниеотвода; для одиночного стрежневого молниеотвода эта граница - боковая поверхность кругового конуса, для одиночного троса - двускатная плоская поверхность.
Обычно зону защиты обозначают по максимальной вероятности прорыва, соответствующей ее внешней границе, хотя в глубине зоны вероятность прорыва существенно уменьшается.
Расчетный метод позволяет построить для стержневых и тросовых молниеотводов зону защиты с произвольным значением вероятности прорыва, т.е. для любого молниеотвода (одиночного или двойного) можно построить произвольное количество зон защиты. Однако для большинства народнохозяйственных зданий достаточный уровень защиты можно обеспечить, пользуясь двумя зонами, с вероятностью прорыва 0,1 и 0,01.
В терминах теории надежности вероятность прорыва - это параметр, характеризующий отказ молниеотвода как защитного устройства. При таком подходе двум принятым зонам защиты соответствует степень надежности 0,9 и 0,99. Эта оценка надежности справедлива при расположении объекта вблизи границы зоны защиты, например объекта в виде кольца, соосного со стержневым молниеотводом. У реальных же объектов (обычных зданий) на границе зоны защиты, как правило, расположены лишь верхние элементы, а большая часть объекта помещается в глубине зоны. Оценка надежности зоны защиты по ее внешней границе приводит к чрезмерно заниженным значениям. Поэтому, чтобы учесть существующее на практике взаимное расположение молниеотводов и объектов, зонам защиты А и Б приписана в РД 34.21.122-87 ориентировочная степень надежности 0,995 и 0,95 соответственно.
Линейные зависимости между расчетными параметрами зон защиты типа Б позволяют с достаточной для практики точностью оценивать высоты молниеотводов с помощью номограмм, сокращающих объем вычислений. Такие номограммы, построенные в соответствии с формулами и обозначениями приложения 3 РД 34.21.122-87, приведены на рис. П4.1 для определения высот стержневых С и тросовых Т одиночных и двойных молниеотводов (разработка Гипропрома).
Рис. П4.1. Номограммы для определения высоты одиночных (а) и двойных равной высоты (б) молниеотводов в зоне Б
Расчетный метод вероятности прорыва разработан только для нисходящих молний, преимущественно поражающих объекты высотой до 150 м. Поэтому в РД 34.21.122 - 87 формулы для построения зон защиты одиночных и многократных стержневых и тросовых молниеотводов ограничены высотой 150 м. На сегодняшний день объем фактических данных о поражаемости нисходящими молниями объектов большей высоты очень мал и в большей своей части относится к Останкинской телевизионной башне. На основании фоторегистраций можно утверждать, что нисходящие молнии прорываются более чем на 200 м ниже ее вершины и поражают землю на расстоянии около 200 м от основания башни. Если рассматривать Останкинскую телевизионную башню как стержневой молниеотвод, можно заключить, что относительные размеры зон защиты молниеотводов высотой более 150 м резко сокращаются с увеличением высоты молниеотводов. С учетом ограниченности фактических данных о поражаемости сверхвысоких объектов в РД 34.21.122 - 87 включены формулы для построения зон защиты только для стержневых молниеотводов высотой более 150 м.
Метод расчета зон защиты от поражений восходящими молниями пока не разработан. Однако по данным наблюдений известно, что восходящие разряды возбуждаются с остроконечных предметов вблизи вершины высоких сооружений и затрудняют развитие других разрядов с более низких уровней. Поэтому для таких высоких объектов, как железобетонные дымовые трубы или башни, предусматривается прежде всего защита от механических разрушений бетона при возбуждении восходящих молний, которая осуществляется путем установки стержневых или кольцевых молниеприемников, обеспечивающих максимально возможное по конструктивным соображениям превышение над вершиной объекта (п. 2.31).