7. Методы конструирования систем молниезащиты

 

Фундаментальным аспектом является метод конструирования молниезащиты, используемый для идентификации наиболее подходящих мест для молниеприёмников, основанный на области защиты, предоставляемой каждым терминалом. Наиболее известными методами являются методы конуса защиты, клетки Фарадея и катящейся сферы.

Метод конуса защиты редко применяется и является неколичественным физическим методом. В основном, он используется для пассивных систем молниезащиты.

Метод клетки Фарадея также используется для пассивных систем молниезащиты, и нет никакой гарантии, что металлические полосы, используемые в этом методе, подвергнутся удару молнии в предпочтение какой-либо другой близлежащей точке.

Диэлектрические свойства конструкционных материалов таковы, что вспышка молнии может перейти на близлежащий элемент структурированной стали с непредсказуемыми последствиями. Кроме того, защита таких объектов, как телекоммуникационные тарелки, является фактически невозможной.

Метод катящейся сферы бы сомнения является наиболее распространённым в мировых стандартах. Он основан на электрогеометрической модели (ЭГМ). ЭГМ связывает дистанцию удара с будущим пиковым ударным током (15). Чтобы применить этот метод, необходимо представить себе сферу, катящуюся вдоль структуры. Все контактирующие точки поверхности, предполагается, требуют защиты, пока существуют незащищённые объёмы (Приложение А).

В случае простого штыря (Приложение Б) в соответствии с электрогеометрической моделью, точка удара молнии определяется наземным объектом, который размещается первым на дистанции D от лидера направленного вниз, даже если этот объект плоский (грунтовый). Поэтому можно рассматривать воздействие молнии, как если бы фиктивная сфера радиусом D с головой лидера, направленного вниз, была проведена и строго двигалась вдоль защищаемого сооружения (16).

Рассматривая простой штырь, высотой «h», по отношению к плоской поверхности (крыша здания, поверхность земли и т.д.), имеется возможность трёх точек удара молнии.

 

Рис. 1 - Метод катящейся сферы

 

- Если сфера касается только вертикального штыря «А», то вертикальный штырь будет точкой удара.

- Если сфера касается плоской поверхности и не касается вертикального штыря, точка удара будет только на поверхности S земли.

- Если сфера касается и простого вертикального штыря и справочной поверхности одновременно, то имеется возможность двух точек удара: «А» и «С», но молниевый разряд никогда не ударит в закрытую площадь.

 

Рис. 2 - Пассивный стержень

 

Будем считать, что пассивный стержень не инициирует верхний лидер, тогда

R_p,p=[h · (2D - h)]^1/2 ,                                                                                                       (16)

что выполняется при h<2D,                                                                                         (16а)

 

В случае применения активного молниеотвода (рис.5):

 

Рис. 3 - Активный стержень

 

R_p.a.=[h · (2D - h)+dL · (2D + dL)] ^1/2,                                                                            (17)

что выполняется при

h<dL + 2D,                                                                                                                     (17а)

Рекомендуется сравнивать значения R_p.a. со значениями

R_p.p.=(1,1 - 0,002 · h) · h,                                                                                                 (176)

 

Если окажется, что R_p.a.< R_p.p., то по значениям R_p.p., подставляемых вместо R_p.a. в (17), вычисляется h

где D - дистанция удара (по пиковым значениям токов:

I  уровень защиты - D=20 м, I_макс=2,8 кА;

II  уровень защиты - D=45 м, I_макс=9,5 кА;

III  уровень защиты - D=60 м, I_макс=14,7 кА), в м,

dL - инициация верхнего лидера, в м, определяемая как

dL=v · dT,                                                                                                                          (18)

(dL определяется при испытаниях в лаборатории для каждой модификации системы молниезащиты производителем)

h - это высота верхушки пьезоэлектрического молниеотвода над поверхностью, которая должна быть защищена, в м

R_p - это защитный радиус молниеотвода, в м

v - скорость инициации верхнего лидера, в м/мкс

dT - время его инициации, в мкс

 

Полученные данные, используются для подбора систем активной молниезащиты, прошедших сертификацию в Республике Казахстан.

В таблицах 14 и 14.1 как пример показан вариант подбора систем активной молниезащиты.

Таблица 14 для пьезоэлектрических молниеприёмников. Которые применимы для регионов, где ветровая нагрузка более 0,40 кгс/м² («Нагрузки и воздействия» СНиП 2.01.07-85* Таблица 5.) Таблица 14.1. для систем импульсного напряжения.

Пример: Требуемый уровень защиты I, расчётная верхней точки пьезоэлектрического молниеотвода над поверхностью, которая должна быть защищена - h(m) = 6, расчётный защитный радиус молниеотвода - R_p(m) = 63

 

Таблица 14 - Зависимость радиуса защиты (R_p) от высоты сооружения (h) для разных уровней защиты (N_p), активных пьезоэлектрических систем молниезащиты

 

Rp(M)	SE6 dL=15 м			SE9 dL=30 м			SE12 dL=45 м			SE15 dL=60 м
h(м)\Np	I	II	III	I	II	III	I	II	III	I	II	III
2	13	18	20	19	25	28	25	32	36	31	39	43
4	25	36	41	38	51	57	51	65	72	63	78	85
6	32	46	52	48	64	72	63	81	90	79	97	107
8	33	47	54	49	65	73	64	82	91	79	98	108
10	34	49	56	49	66	75	64	83	92	79	99	109
20	35	55	63	50	71	81	65	86	97	80	102	113
30	35	58	69	50	73	85	65	89	101	80	104	116
60	35	60	75	50	75	90	65	90	105	80	105	120

 

Таблица 14.1 - Зависимость радиуса защиты (R_p ) от высоты сооружения (h) для разных уровней защиты (N_p), активных систем молниезащиты импульсного напряжения

 

Rp(M)	Satelit 3-25			Satelit 3-45			Satelit 13-60
h(м)\Np	I	II	III	I	II	III	I	II	III
2	17	23	26	26	34	36	32	34	44
3	25	34	39	38	48	50	48	48	65
4	34	46	52	50	64	72	64	64	87
5	42	57	65	63	81	89	79	81	107
б	43	58	66	63	81	90	79	81	107
10	44	61	69	64	83	92	79	83	109
15	45	63	72	65	85	95	80	85	111
20	45	65	75	65	86	97	80	86	113
45	45	70	84	65	90	104	80	90	119
60	45	70	85	65	90	105	80	90	120

 

Основным преимуществом метода катящейся сферы является простота его применения. В случае простых структур он может быть успешно применён вручную, но для более сложных структур этот метод требует сложного цифрового объёмного моделирования на основе компьютерного программного обеспечения. Фундаментальной технической проблемой, связанной с этим методом, является предписывание равной возможности инициации лидера всем контактирующим точкам на структуре. Так что, для данного будущего пикового ударного тока или, иными словами, уровня защиты дистанция удара является постоянной величиной. Хотя этот метод является приближённым, он может быть применён при конструировании надёжных и эффективных систем молниезащиты.

Ещё два исследования дали определённый прогресс в реализации метода конструирования на основе солидного физического базиса. Это - модель прогрессии лидера и теория начала лидера. Но пока они не включены в новые стандарты МЭК.

Особенно пристального внимания заслуживает в настоящее время метод отбора объёма (МОО): Этот метод, являющийся улучшенным методом ЭГМ, был впервые предложен Эрикссоном в 1979 г. Затем, в 1980 и 1987 гг., им были проведены дальнейшие усовершенствования этого метода.

МОО использует физическое приближение с использованием хорошо известного факта, что дистанция удара, D, зависит как от пикового ударного тока, (или заряда нижнего лидера), так и от степени увеличения электрического поля, называемого в дальнейшем как «фактор интенсификации поля», К, будущей точки удара. Для структур К определяется в большей степени высотой и шириной, но форма и радиус кривизны структуры или структурные особенности также являются важными факторами. В случае молниеприёмников К зависит от высоты и радиуса кривизны вершины. Когда молниеприёмники расположены на зданиях, К умножаются на коэффициент, который зависит от размеров структуры.

Следовательно, улучшенное приближение к конструированию молниезащиты должно принять, что все точки на сооружении способны выбрасывать перехватывающий верхний лидер, но дифференцировать те точки, основанные на факторе интенсификации локального поля. Фактор интенсификации поля вычисляется относительно легко, используя цифровой метод, такой как метод ограниченного элемента.

МОО успешно развивается и улучшается применительно к любой объёмной структуре, установленной с молниеприёмниками. Метод учитывает приближение нижнего лидера молнии к структуре и, используя К молниеприёмников и структурных особенностей, определяет точку, из которой будет выброшен верхний лидер.

МОО будет лучше ЭГМ, если перехват будет иметь место только, если смежная конкурирующая особенность структуры не завладеет перехватом нижнего лидера. Критерием для этого условия будет служить примерное равенство скоростей верхнего и нижнего лидеров.

На основе анализа удалось определить объём параболического типа выше особенности (структуры, структурных особенностей или молниеприёмников), который представляет объём захвата той особенности, или обычно используемый термин «объём отбора».

В терминах модели для специфического заряда лидера и отношения скоростей нижний лидер будет заканчиваться на структуре или молниеприёмнике, если дистанция удара достигнута и дорожка лидера будет находиться внутри внешних границ объёма отбора. Эта информация часто суммируется в виде радиуса притяжения, R_a, который является простым радиусом объёма отбора на высоте, определённой поверхностью дистанции удара. Радиус притяжения является наиболее важным выходным параметром анализа отбора, так как впоследствии он может быть использован для вычисления площадей защиты, захвата или притяжения для данной структуры, структурной особенности или молниеприёмника.

К настоящему времени уже имеются серии повторяющихся вычислений в широком диапазоне высот сооружений (10-200 м) и параметров молнии. Из этих данных было получено основное соотношение между радиусом притяжения, R_a, в метрах, пиковым током, I_макс, в килоамперах, и высотой сооружения, h, в метрах. Для отношения скоростей верхнего и нижнего лидеров, равного 1, оно имеет вид:

R_a=0,84 · I_мakc^0,74 · h^0,6,                                                                                               (19)

 

Иллюстрация конструирования молниезащиты с использованием МОО показана на рисунке Приложения В. Удар 1 имеет больший заряд лидера (2К). На входе в поверхность дистанции удара 2К он инициирует верхний лидер перехвата из точки А перед критическими условиями, имеющими место на других частях структуры. В ударе 2 заряд лидера меньше (1К) и он находится ближе к структуре. Точка А обходится, потому что нижний лидер находится за пределами своего объёма отбора, даже хотя он может инициировать верхний лидер. Следовательно, точка В является наиболее вероятной точкой удара.

Современные компьютеры вместе с программами моделирования, которые используют методы ограниченного элемента или моделирования заряда, или их комбинацию, дали возможность вычислять с относительной легкостью распределение электрического поля над и вокруг структуры и её микрогеометрии. Следовательно, могут быть вычислены факторы интенсификации поля для всех будущих конкурирующих особенностей для того, чтобы начать процесс конструирования МОО.

Объём отбора вычисляется для каждой структурной особенности, включая молниеприёмники, мачты, антенны и т.д.

Стоит упомянуть, что с начала применения этого метода (МОО) в течение более 10 лет были успешно защищены более чем 7000 зданий и сооружений во всём мире.

Этот метод наилучшим образом работает в виде компьютерной программы, так как необходимые данные для вычислений, как высота площадки, высота базового облака, заряд лидера (уровень защиты), высота структуры и форма, факторы интенсификации поля, отношение скоростей лидеров хранятся и легко вычисляются программой и всегда доступны, когда заказчик потребует сконструировать оптимальную молниезащиту.

Тем более, все эти данные можно легко модернизировать на компьютере.

Важно отметить, что МОО может быть использован для любых систем молниеприёмников, сконструированных для перехвата молнии, будь то пассивные или активные системы.