УДК 621.316.9
DOI 10.57112/E241-315
Миргород Кирилл Сергеевич
Аннотация:
В статье рассматриваются достоинства и недостатки активной молниезащиты (АМЗ) по сравнению с классической пассивной системой. Преимущества АМЗ включают значительно большую зону защиты, высокий уровень защиты, автономность, а также активацию только при приближении грозового фронта. Недостатком АМЗ является более высокая стоимость по сравнению с пассивными системами. Рассмотрены расчеты и параметры системы молниезащиты для защиты здания. Проведены расчеты горизонтального сечения и высоты молниеприемника, определены объемы защищаемого пространства для пассивного и активного молниеприемников. Рассмотрены уровни защиты и соответствующие им параметры. Произведено сравнение радиуса защиты активного молниеприемника с радиусом стержневого молниеотвода. Показано, что применение метода активной защиты позволяет увеличить радиус и объем защищаемого пространства, что способствует повышению безопасности и работоспособности объектов.
Ключевые слова: молниезащита, активная молниезащита, достоинства и недостатки, пассивная молниезащита.
Достоинства и недостатки активной МЗ
Преимущества активной молниезащиты:
- Зона защиты активного молниеприемника значительно превосходит зону защиты традиционного (пассивного) молниеприемника аналогичной высоты;
- Высокий уровень защиты, обеспечиваемый конструкцией АМЗ, сводит к минимуму вероятность прорыва молнии и поражения защищаемого объекта;
- Активный молниеприемник – автономное устройство, не требующее его подключения к какому-либо источнику питания;
- Устройство активируется только в случае приближения грозового фронта и наличия реально риска возникновения разряда молнии [1].
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 [1].
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 [1].
В таблице 1 наглядно представлены характеристические особенности АМЗ и классической [2].
Таблица 1 – 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. |
|
|
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. |
|
Единственным недостатком активной молниезащиты можно назвать ее сравнительно высокую стоимость, а также то, что эта система все еще нова для нашего населения, в то время, как пассивная уже давно проверена временем. Помимо этого, недостатков у системы такого типа защиты нет практически никаких. Это прогрессивная современная молниезащита, которую рекомендуют к установке во многих Европейских странах. Ее достоинства хоть и спорны, но актуальны и определяют сегодня выбор многих людей [3].
Для более полного обзора, стоит проанализировать АМ на конкретном примере. Для оценки соответствия активного молниезащитного устройства FOREND EU предъявляемым нормам к устройствам молниезащиты, были проведены расчеты, используя национальный стандарт Франции (NFC 17-102. «Система молниезащиты. Защита структур и открытых площадей от молнии с использованием ранней стримерной эмиссии (РСЭ) молниеприёмников») и международный стандарт TSE IEC 61024 («Защита конструкций от молний»), а также методики используемые в РФ.
В качестве объекта защиты было выбрано 60 метровое здание, с габаритными размерами периметра 5х5 м. Требуемый уровень защиты от молнии II, обеспеченность 90%.
1. Расчет зоны защиты одиночного стержневого пассивного молниеотвода методом конуса по СО 153-34.21.122-2003 «Инструкция по устройству молниезащиты зданий, сооружений и промышленных коммуникаций»
Рисунок 1 – Зона защиты одиночного стержневого молниеотвода по методу конуса
Для зоны защиты требуемой надежности радиус горизонтального сечения rx на высоте hx, определяется по формуле 3.1:
где hx – максимальная высота защищаемого здания (уровень крыши), rx – горизонтальное сечение (половина главной диагонали поверхности крыши).
Следовательно, в условиях рассматриваемого сооружения: hx = 60 м; rx = 3,5 м. Определим эмпирические зависимости h0 и r0 по таблице 3.4, для обеспечения надежности защиты 90%, с учетом диапазона высоты защищаемого здания до 100 м:
После подстановки принятых значений в исходное выражение (3.1), определим величину h:
Из приведенного рисунка видно, что высота h складывается из высоты здания hx, и высоты молниеприемника hm, следовательно:
Определим объем защищаемого пространства пассивного молниеприемника (по формуле объема конуса):
Тогда, объем защищаемого пространства составит:
2. Расчет зоны защиты одиночного стержневого активного молниеотвода методом катящихся сфер по NFC 17-102 «Использован метод электрогеометрической модели»
Рисунок 2 – Зона защиты одиночного стержневого молниеотвода по методу катящихся сфер
Таблица 1 – Паспортные данные устройств активной молниезащиты FOREND
|
Номер модели |
Материал |
Время ионизации NFC-17 102, (мкс) |
Лабораторное время ионизации, (мкс) |
Вес, (кг) |
Высота, (см) |
|
F10105 |
Нержавеющая сталь |
45 |
49,94 |
4,4 |
58 |
|
F10110 |
60 |
61,6 |
4,6 |
58 |
|
|
F10115 |
63,13 |
2,6 |
47 |
Таблица 2 – Соответствие степени защиты с обеспеченностью защиты в %, согласно стандарта NFC 17 102
|
Рассчитанная эффективность |
Степень защиты |
|
E>0,98 |
I уровень защиты + Доп.мера |
|
0,95<E<0,98 |
I уровень защиты |
|
0,80<E<0,95 |
II уровень защиты |
|
0<E<0,80 |
III уровень защиты |
Защитный радиус активного молниеотвода Rp.a., (м) определяется по формуле:
где D – дистанция удара, определяется по пиковым значениям токов:
- І уровень защиты – D=20 м, Імакс=2,8 кА;
- II уровень защиты – D=45 м, Імакс=9,5 кА;
- III уровень защиты – D=60 м, Імакс=14,7 кА,
dL - инициация верхнего лидера, в (м), определяемая как
где значение dL определяется при испытаниях в лаборатории для каждой модификации системы молниезащиты производителем.
h – это высота верхушки активного молниеотвода над поверхностью, которая должна быть защищена, в (м);
v – скорость инициации верхнего лидера, в (м/мкс);
dT – время его инициации, в (мкс).
Таблица 3 – Зависимость радиуса защиты (Rp) от высоты сооружения (h) для разных уровней защиты (Np), активных систем молниезащиты FOREND
|
Rp |
FOREND EU-M (DL=45m) |
FOREND EU and FOREND PETEX (DL=60m) |
||||
|
h(м)\Np |
I |
II |
III |
I |
II |
III |
|
2 |
25 |
32 |
36 |
31 |
39 |
43 |
|
4 |
51 |
65 |
72 |
63 |
78 |
85 |
|
6 |
63 |
81 |
90 |
79 |
97 |
107 |
|
8 |
64 |
82 |
91 |
79 |
98 |
108 |
|
10 |
64 |
83 |
92 |
79 |
99 |
109 |
|
20 |
65 |
86 |
97 |
80 |
102 |
113 |
|
30 |
65 |
89 |
101 |
80 |
104 |
116 |
|
60 |
65 |
90 |
105 |
80 |
105 |
120 |
Используя данные стандарта NFC 17 102 и паспортные данные прибора защиты FOREND EU сравним радиус зоны защиты активного по сравнению со стержневым, взяв значение 13,5 м. как базовую точку высоты прибора над поверхностью, защищаемого объекта, тогда:
где, D для II уровень защиты (90% обеспеченность) составляет D = 45 (м), dL – инициация верхнего лидера, в (м), определяемая по паспортным данным, составляет 60 (м) для для II уровень защиты (90% обеспеченность):
Определим объем защищаемого пространства активного молниеприемника (по формуле полусферы):
Таким образом,
Таким образом, применение метода активной защиты позволяет при равных условиях, увеличить радиус защищаемого пространства на 12% и объем защищаемого пространства 76%, что существенным образом позволяет обеспечить безопасность и работоспособность объектов.
Список используемой литературы
1. Характеристика, особенности активной и пассивной молниезащиты / А. В. Родионова, Д. Ф. Агакеримов, И. Г. Сафронова, Н. В. Шнайдер // Тенденции развития науки и образования. 2022. № 86-2. С. 44-47.
2. Лисицын, А. Л. Сравнение пассивной и активной молниезащиты / А. Л. Лисицын, И. А. Жирохов // Ломоносовские научные чтения студентов, аспирантов и молодых ученых – 2023 : Сборник материалов конференции: в 2-х томах, Архангельск, 01–30 апреля 2023 года / Сев. (Арктич.) федер. ун-т им. М.В. Ломоносова. Том 2. Архангельск, 2023. С. 394-397.
3. Сучкова, П. С. Оценка применения активной молинезащиты в Российской Федерации / П. С. Сучкова, С. Н. Ульева, А. Л. Никифоров // Актуальные вопросы совершенствования инженерных систем обеспечения пожарной безопасности объектов : Сборник материалов VI Всероссийской научно-практической конференции, Иваново, 17 апреля 2019 года. – Иваново: ФГБОУ ВО «Ивановская пожарно-спасательная академия ГПС МЧС России», 2019. С. 351-356.
Информация об авторах
Миргород К. С. – студент группы 8Э-21, ФГБОУ ВО «Алтайский государственный технический университет им. Ползунова», РФ, Алтайский край, г. Барнаул.
Ссылка для цитирования
Миргород, К. С. Активная молниезащита. Ее преимущества и недостатки // Энерджинет. 2024. № 1. URL: http://nopak.ru/241-315 (дата обращения: 10.06.2024).
