Активная молниезащита
1. Введение
Любая грозозащита имеет в своем составе молниеприемник, который позволяет своевременно обеспечить перехват движущегося в сторону строения разряда молнии. Он может быть выполнен в двух вариантах - в виде пассивного или активного способа приема энергии молнии. Пассивный вариант является наиболее простым, но, тем не менее, вполне надежным способом защиты. По сравнению с ним существует активный молниеприем. В его состав входит модуль грозозащиты, который способен вырабатывать специальные электромагнитные импульсы в сторону грозовой тучи. Во время грозы происходит ионизация воздуха вокруг такого молниеприемника и при движении молнии в сторону объекта, который защищает это активное устройство, осуществляется надежный перехват всего электрического разряда. Такое устройство позволяет расширить зону гарантированной защиты, что очень важно на загородном участке большой площади. В том случае, если молния уходит в сторону, то активное устройство не окажет никакого влияния на нее. Это самая надежная система защиты, которая достаточно широко применяется во многих странах мира уже много лет. В нашей стране такое устройство молниезащиты в последние годы становиться все более востребованным, в связи с ростом загородного строительства. Его надежность подтверждается результатами многолетних исследований специалистами разных стран.
Грозовое облако создает электрическое поле между областью грозы и землей. Напряженность этого поля может превысить 5 киловольт на метр.
Молния представляет собой электрический разряд длиной в несколько километров, развивающийся между грозовым облаком и землей или каким-нибудь наземным сооружением.
Разряд молнии начинается с образования светящегося пятна, называемого «ступенчатым лидером», который начинает свое движение из области тучи по направлению к земле. По направлению движения лидера – от облака вниз или от наземного сооружения вверх – молнии разделяются на нисходящие или восходящие. Лидер нисходящей молнии возникает под действием процессов в облаке и не зависит от наличия на земле каких-либо сооружений. По мере продвижения лидера к земле с наземных обьектов могут возбуждаться направленные к облаку встречные лидеры. Соприкосновение одного из них с нисходящим лидером (или касание последнего поверхности земли) определяет место удара молнии в землю или какой-либо обьект.
Последние экспериментальные данные показывают, что средние скорости восходящего и нисходящего лидеров сравнимы в течение фазы их соединения и коэффициент их отношения равен примерно 1 (между 0.9 и 1)
V=Vвосх=Vнисх=1м/мкс, где Vвосх – скорость восходящего лидера, Vнисх – скорость нисходящего лидера, V- скорость образования проводника.
Когда нисходящий лидер разряда молнии приближается к поверхности земли, любая проводящая поверхность может создавать встречный восходящий стример. Время Инициирования восходящего стримера у активного молниеприемника значительно меньше по сравнению с традиционными системами молниезащиты, что позволяет значительно увеличить зону защиты.
Рекомендуемые материалы
2. Принцип действия молниезащитных устройств.
| Долгие годы для молниезащиты использовались традиционные стержневые и тросовые молниеприемники. В последнее время все большую популярность завоевывают так называемые активные молниеприемники, которые не просто принимают удар молнии на себя, но и отводят ее от защищаемого объекта. Мы предлагаем Вам ознакомиться с принципом действия активного молниеприемника (АМП) «FOREND». |
Его работа осуществляется за счет разности потенциалов, образующихся между грозовым облаком и поверхностью земли.
В тот момент, когда напряженность электрического поля достигает критического значения, от молниеприемника исходит опережающий разряд в сторону молнии, и, при возникновении молнии над защищаемой территорией, она обязательно будет поймана молниеприемником и отведена в землю. Тем самым обеспечивается защита зданий, объектов и сооружений. К достоинствам АМП относится повышенная надежность защиты.
Радиус защиты активного молниеприемника, достигающий 107 м, превышает радиус защиты одностержневого / тросового молниеприемника и радиус защиты молниеприемной сетки, благодаря использованию предупредительных разрядов. Зона защиты громоотвода имеет более удачную площадь защиты и позволяет закрыть до 36 тыс. кв. м с большей надежностью, до 107 м, чем другие виды молниеотводов. При необходимости защиты здания большей площади можно использовать 2-3 молниеприемника и прилагающиеся к ним устройства заземления.
Активный молниеприемник «FOREND» защищен от атмосферного воздействия, прост в установке. Заземление для АМП просто в изготовлении и снимает необходимость выкапывать траншеи по периметру здания и укладывать заземлители, что обязательно в случае применения пассивных молниеприемников.
3. Преимущества применения АМП в сравнении с другими методами.
Радиус защиты одностержневого молниеприемника, тросового молниепремника и методом сетки определяется в соответствии с моделью катящегося шара и, как выше было представлено, этот радиус гораздо меньше чем радиус действия АМП вследствие использования предупредительных разрядов.
Зона защиты при использовании этих методов, в сравнении с зоной защиты АМП, имеет менее удачную форму. Зона защиты АМП позволяет более надежно покрыть большую площадь.
Если необходимо защитить здание большой площади, то, можно использовать 2-3 молниеприемника. Если не используем АМП, то необходимо применять метод сетки, т.е. укладывать металлическую сетку через расстояние 10 мм и делать спуски с заземлителями. При этом методе во много раз увеличивается расход металла, усложняется конструкция и снижается надежность системы.
Сравнительная характеристика систем активной молниезащиты и классической
| Характеристики | Активная система молниезащиты | Пассивная система молниезащиты |
| Принцип действия | Электронная система создаёт ионизацию (встречный лидер) значительно раньше и большей напряженности поля, чем в случае классической молниеотводной защиты. | Физически, пассивный молниеотвод действует аналогично активному – создается зона ионизации вокруг острия и молния "притягивается" от защищаемых объектов, но на расстояниях во много раз меньших, чем у активного молниеотвода. |
| Зона защиты | Зона защиты активного молниеприемника многократно превосходит зону защиты обычного штыревого. Охраняются все объекты, охваченные элипсообразной сферой в виде «капсулы», антенны и архитектурные элементы крыши, а так же вся территория (открытые площадки) находящаяся в зоне защиты активного молниеприемника. | Пространство в окрестности молниеотвода ограниченной геометрии, в зону защиты которого входит только объект, размещенный в его объеме. Радиус защиты меньше примерно в 8 раз, чем у активной системы молниезащиты. |
| Схема защиты |
|
|
| Радиус действия | Радиус защиты до 107 м. | Радиус защиты до 24 м. |
| Токоотводы | 1-2 шт. | Более - 2 шт. |
| Горизонтальные пояса | Не применяются для зданий высотой до 60 м. | Искусственные токоотводы соединяются горизонтальными поясами вблизи поверхности земли и через каждые 20 м по высоте здания. |
| Заземлители | Не более 2 шт. | Более 2 шт. |
| Проектирование | Определяется высота мачты, на которую устанавливается активный молниеприемник (по инструкции), исходя из уровня защиты и радиуса защищаемой площади. | Выполняется обоснование выбора средств защиты, типов молниеотводов и методов расчетов, выбора материалов молниеприемников, токоотводов, их сечений и общее количества. |
| Монтаж | 1-2 дня | Сложность и трудоемкость монтажа множества молниеотводов, сеток и молниеприемников пассивной молниезащиты. |
| Эксплуатация | Трудозатраты на ТО и Р пропорциональны количеству элементов системы. | Тех. обслуживание и ремонт большого количества соединений, крепежных элементов. Необходимо |
| Эстетика | Не ухудшается эстетический вид объекта. Активная головка занимает минимальное место при установке. | При установке молниеотводных сеток или многочисленных стержней портится архитектурный облик объекта. |
| Электро-магнитное воздействие | Минимальное негативное воздействие электромагнитного поля из-за ограниченного количества токоотводов. | Большое количество токоотводов подвергает почти весь объект воздействию электромагнитного поля. |
Защита зданий с помощью тросовых молниеприемников и методом сетки
4. Защита здания большой площади с помощью АМП
Установка одного АМП и контура заземления из нескольких заземлителей гораздо экономичнее по использованию металла в сравнении с методом сетки, тросовых и одиночных молниеотводов. Контур заземления для АМП прост в изготовлении, нет необходимости выкапывать траншеи по периметру здания и укладывать заземлители, как в случае пассивных молниеприемников. Кроме того, в методе сетки, например, сетка может оборваться и тогда нарушится контур заземления.
АМП прост в установке, защищен от атмосферного воздействия, не требует обслуживания в процессе эксплуатации.
5. РАСЧЕТ СТЕПЕНИ ЗАЩИТЫ
Расчет степени защиты, применяемый в IFC и в Европе, производится нижеуказанным способом:
Эффективная площадь: Ac=Lw+6H(L+W)+9H2
L. Длина(m), W: Ширина (m), H: Высота (m)
Предположительное количество молний : Nd = Ng*Ac*C1* 106
Ng=0,04 NK1,25 (число ударов молнии/(км2/год))
Nk: количество дней с молнией
Принятое число Nc=5,5*103/C
C=C2*C3*C4*C5
Если Nd<Nc - защита по желанию
Если Nd>Nc - защита необходима
степень защиты устанавливается: по Е=1-(Nc/Nd)
| Расчетная эффективность | Степень защиты |
| Е>0,98 | 1 Степень + Доп.мера |
| 0,95<E<0,98 | 1 Степень |
| 0,80 <E<0,95 | 2 Степень |
| 0<E<0,80 | 3 Степень |
| КОЭФФИЦИЕНТ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ | С1 | ||
| Здание не выше деревьев и/или близлежащих строений | 0,25 | ||
| Здание находится в окружении невысоких строений | 0,5 | ||
| Расстояние до самого близкого строения ЗН | 1 | ||
| Самое высокое здание в районе | 2 | ||
| Конструктивные коэффициенты | С2 | ||
| Здание/Крыша | МЕТАЛЛ | КЕРАМИКА | Возгорающийся |
| Металл | 0,5 | 1 | 2 |
| Кирпичное, бетонное | 1 | 1,5 | 2,5 |
| Возгорающееся | 2 | 2,5 | 3 |
| Структурный коэффициент | С3 | ||
| Недорогое, не возгорающееся | 0,5 | ||
| Среднее, возгорающееся | 1 | ||
| Дорогое, возгорающееся | 2 | ||
| Воспламеняющееся, возгорающееся | 3 | ||
| Структурное время | С4 | ||
| Здание без персонала | 0,5 | ||
| До 50 человек | 1 | ||
| Более 50 человек, с риском, трудность эвакуации | 3 | ||
| ВАЖНОСТЬ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ | С5 | ||
| Не имеет значения | 1 | ||
| Всегда в эксплуатации, имеет значение в среде | 5 | ||
| Имеет очень значительное место в среде | 10 |
6. Конструкция АМП.
Элементы схемы молниеотвода размещены внутри герметичной трубы, изготовленной из нержавеющей стали или меди, на внутренней поверхности которой размещена изолирующая конструкция, предохраняющая от развития поверхностного электрического разряда, и система защитных разрядников, предохраняющая молниеотвод от разрушения в момент разряда молнии.
На верхнем фланце молниеотвода находятся молниеприемный стержень обеспечивающий работу элементов схемы. Крепление на мачту с помощью винта с резьбой М10.
Электрическая схема устройства состоит из высоковольтных резисторов и конденсаторов. Заряд конденсаторов от внешнего поля происходит через резисторы, а разряд через разрядники, настроенные на напряжение (12-14) кВ.
При разряде конденсаторов напряжения складываются, и формируется импульс амплитудой более 200 кВ.
При приближении грозового фронта возрастает напряженность поля у поверхности земли, что приводит к наведению на антеннах молниеотвода напряжения, которым заряжаются конденсаторы.
При достижении напряжения на конденсаторах (12-14) кВ происходит пробой разрядников и формирование короткого импульса величиной более 200 кВ. Полярность импульса противоположна полярности грозового фронта. Импульс инициирует направленный в сторону молнии стример, который создает проводящий канал для разряда молнии в землю. Этот процесс повышает действующую высоту молниеотвода, не зависящую от полярности грозового разряда.
Рисунок 2
Примечание: Это описание имеет отношение только к нисходящему типу молний, который описывается электрогеометрической моделью. Этот тип молний самый распространенный.
Высота мачты, на которой крепится головка, определяется на основании Таблицы 1.
Головка ФОРЕНД ввинчивается в трубчатую мачту.
В случае защиты открытых зон, таких как спортивные территории, бассейны и т.д., молниеотводы монтируются на фонарях, столбах, кронштейнах и любой другой близлежащей структуре, дающей возможность молниеотводу покрыть данную защищаемую зону.
До высоты 4 м мачты не требуют растяжек. Выше 4 м применяются растяжки или специальные мачтовые конструкции. Общий принцип крепления мачты идентичен креплению традиционных телевизионных антенн. Мачту следует закрепить с помощью дистанционных держателей на жесткой конструкции здания (дымовая труба, кладка, стальные конструкции). Мачта может быть закреплена на треножнике с бетонным основанием.
Если ФОРЕНД помещается на сборной антенной мачте, то острие головки должно находиться на 2 м выше антенн (таблица 1):
| Расстояние шпиля головки от основания защищаемого Защищаемогообъекта H (м) | Радиус защиты R (м) | ||
| H (м) | Уровень 1 | Уровень 2 | Уровень 3 |
| 2 | 31 | 39 | 43 |
| 3 | 47 | 58 | 64 |
| 4 | 63 | 78 | 85 |
| 5 | 79 | 97 | 107 |
| 6 | 79 | 98 | 108 |
| 10 | 79 | 99 | 109 |
| 20 | 80 | 102 | 113 |
7. Заключение.
В современных условиях применение активной молниезащиты просто необходимо, т.к. попадание молнии в здание может вызывать не только большие повреждения зданий, но и приводит к выходу из строя электрооборудования, а так же может быть источником пожаров. Жизнь для человека это самое большое сокровище, поэтому не стоит подвергать ее тому или иному риску. Активная молниезащита имеет огромное количество преимуществ по сравнению с пассивной: она не только менее материалоемкая, но и является наиболее эффективной. Ее эффективность можно оценить по счетчику ударов молний устанавливаемому в комплекте. Кроме того этот счетчик может выдавать некоторую информацию о необходимости специализированного обслуживания! Еще одной отличительной особенностью активных молниезащит является возможность проверки их работоспособности при помощи специального прибора Форенд тестера. Одним словом применение активной молниезащиты это шаг к модернизации наших защит.
Список литературы.
1. www.teziz.ru/activ1.phtml
2. www.mzke.ru
3. www.spbelektra.ru/forend
Если Вам понравилась эта лекция, то понравится и эта - 59 Версия в судебном исследовании.
4. stmx.ru/molniezashita.html
5. www.elektraek.ru/mzasch.php
