Молния как источник перенапряжений

     Вторичные проявления молнии связаны с действием  на объект электромагнитного поля близких  разрядов. Обычно это поле рассматривают в виде двух составляющих: первая обусловлена перемещением зарядов в лидере и канале молнии, вторая - изменением тока молнии во времени. Эти составляющие иногда называют электростатической и электромагнитной индукцией.

     Электростатическая  индукция проявляется в виде перенапряжения, возникающего на металлических конструкциях объекта и зависящего от тока молнии, расстояния до места удара и сопротивления заземлителя. При отсутствии надлежащего заземлителя перенапряжение может достигать сотен киловольт и создавать опасность поражения людей и перекрытий между разными частями объекта.

     Электромагнитная  индукция связана с образованием в металлических контурах ЭДС, пропорциональной крутизне тока молнии и площади, охватываемой контуром. Протяженные коммуникации в современных производственных зданиях могут образовывать охватывающие большую площадь контуры, в которых возможно наведение ЭДС в несколько десятков киловольт. В местах сближения протяженных металлических конструкций, в разрывах незамкнутых контуров создается опасность перекрытий и искрений с возможным рассеянием энергии около десятых долей джоуля.

     Еще одним видом опасного воздействия  молнии является занос высокого потенциала по вводимым в объект коммуникациям (проводам воздушных линий электропередачи, кабелям, трубопроводам). Он представляет собой перенапряжение, возникающее на коммуникации при прямых и близких ударах молнии и распространяющееся в виде набегающей на объект волны. Опасность создается за счет возможных перекрытий с коммуникации на заземленные части объекта. Подземные коммуникации также представляют опасность, так как могут принять на себя часть растекающихся в земле токов молнии и занести их в объект.

Глава 2. Защита от прямых ударов молнии  

§1. Средства защиты от прямых ударов молнии

     Молниеотводы  как средство защиты от прямых ударов молнии применялись задолго до начала нашей эры, но получили всеобщее признание только в середине XVIII века в результате работ Ломоносова и Франклина.

     Назначение  молниеотводов — воспринять подавляющее число ударов молнии в пределах защищаемой территории и отвести ток молнии в землю.

     Каждый  молниеотвод состоит из молниеприемника, возвышающегося над защищаемым объектом, заземлителя и токоотвода, соединяющего молниеприемник с заземлителем. По типу молниеприемников различают стержневые и тросовые молниеотводы. Стержневые молниеотводы выполняются в виде вертикально установленных стержней (мачт), соединенных с заземлителем, а тросовые — в виде горизонтально подвешенных тросов. Металлический стержневой молниеотвод или опора одновременно выполняют функции токоотвода. Если же молниеприемник молниеотвода (стержень, трос) расположен на изолирующих опорах (дымовые трубы, деревянные опоры), то по ним прокладываются тросы, соединяющие молниеприемник с заземлителем.

     Защитное  действие молниеотводов основано на явлении избирательной поражаемости молнией высоких объектов. Высота над поверхностью земли, при которой лидер начинает ориентироваться по направлению к наиболее высокому наземному объекту, называется высотой ориентировки молнии (Н). Если головка лидера на высоте ориентировки находится в точке, расположенной над молниеотводом, то разряд поразит молниеотвод. По мере удаления точки ориентировки от молниеотвода повышается вероятность удара молнии в землю, а при достаточном удалении точки ориентировки от молниеотвода разряды будут поражать в основном землю.

     Если  вблизи молниеотвода поместить более  низкий по высоте защищаемый объект, то при определенном расстоянии между молниеотводом и объектом разрядное напряжение промежутка лидер молнии — объект будет всегда больше разрядных напряжений промежутков лидер молнии — молниеотвод и лидер — земля. Объект будет защищен от прямого удара молнии.

     Необходимым условием надежной защиты является хорошее  заземление молниеотвода, так как при ударе молнии в плохо заземленный молниеотвод на нем создается весьма высокое напряжение, способное вызвать пробой с молниеотвода на защищаемый объект.  

§2. Зоны защиты молниеотводов

     Зоной защиты принято называть определенное пространство вокруг молниеотвода: удары молнии в объект, полностью расположенный в этом пространстве, маловероятны. Поскольку разрядные напряжения длинных воздушных промежутков имеют значительные статистические разбросы, молниеотводы обеспечивают защиту объекта лишь с некоторой, но достаточно высокой степенью надежности (до 0,999). Зоны защиты молниеотводов определяются опытным путем на моделях. При этом принимается, что зоны защиты реальных молниеотводов геометрически подобны зонам, полученным для лабораторных моделей. В качестве «модели» молнии используется импульсный искровой разряд, который в длинных промежутках имеет две основные стадии развития — лидерную и главную - и обладает, таким образом, качественным сходством с молнией.

     Справедливость  принятой методики определения зон  защиты не может быть строго доказана, поэтому полученные в лаборатории зоны защиты имеют до некоторой степени условный характер. Однако надежность разработанных на основе лабораторных экспериментов рекомендаций подтверждена многолетним опытом эксплуатации молниеотводов, и это дает возможность с уверенностью пользоваться этими рекомендациями.

Определение радиуса зоны защиты на высоте h_x производится с помощью стержня высотой h_x, имитирующего защищаемый объект. Верхний электрод, модель молниеотвода и модель объекта находятся в одной плоскости и перемещаются относительно друг друга. При каждом взаимном расположении электродов производится определенное число разрядов. В результате находится максимальное расстояние r_x между объектом и молниеотводом, при котором объект не поражается разрядами. Это расстояние r_x является радиусом зоны защиты молниеотводов на высоте h_x.

     Чем больше разрядов производится при каждом расположении электродов, тем с большей надежностью определяется радиус зоны защиты и тем меньше вероятность поражения объекта, расположенного в зоне защиты молниеотвода.

     Аналогично  производится определение зон защиты систем стержневых молниеотводов и  тросовых молниеотводов.

     Зоны  защиты стержневых молниеотводов. Зона защиты одиночного стержневого молниеотвода представляет собой пространство вблизи молниеотвода, ограниченное поверхностью вращения в виде «шатра», превышение высоты молниеотвода над высотой защищаемого объекта называется активной высотой молниеотвода (h — h_x =h_а).

     Зона  защиты двух стержневых молниеотводов  имеет значительно большие размеры, чем сумма зон защиты двух одиночных молниеотводов. Выше отмечалось, что при R = 3,5h все разряды попадают в молниеотвод (R называется радиусом зоны 100%-ного попадания). Очевидно, что если два молниеотвода находятся на расстоянии а=2R =7h, то точка поверхности, лежащая посередине между молниеотводами, не будет поражаться молнией.

Если  нужно защитить точку, находящуюся посередине между молниеотводами высотой h на высоте h_о, то расстояние между молниеотводами на высоте h_o должно составлять а<7р(h— h_о). Если известны высота и расстояние между молниеотводами, то высота защищенной точки посередине между молниеотводами находится как

h_о= h-a/7p.

Внутренняя  часть зоны защиты двух стержневых молниеотводов  в плоскости, проходящей через оба молниеотвода, ограничивается дугой окружности, которую можно построить по трем точкам: две из них - вершины молниеотводов, а третья расположена посередине между молниеотводами на высоте h_o. Внешняя часть зоны защиты строится так же, как и для одиночных стержневых молниеотводов.