Молния. Опасные последствия. Методы защиты. Часть 1

Молния представляет собой одно из могущественных природных
явлений, которое человечество до настоящего времени не
может в полной мере воспроизвести искусственным путем. От
первобытного поклонения наших предков могущественному Перуну,
через развитие систем внешней молниезащиты, которому 250 лет
назад положил начало Беджамин Франклин, и до сегодняшних
мероприятий по обеспечению электромагнитной совместимости
электрических/электронных систем – человечество упорно оберегает
свои гнездышки от грозных проявлений атмосферного электричества.
Целью предлагаемого читателям материала является освещение
существующей проблемы и ее перспектив в будущем, а также
пути решения этой проблемы.

Евгений БАРАННИК

Условия возникновения и характеристики молнии

Заряды атмосферного электричества накапливаются в тучах, которые называют «грозовыми». Мы различаем их по высоте, хмурому и грозному «синему» виду и вихрям, которые говорят о приближении грозы.

Тучу постоянно подпитывают восходящие потоки пара, воспетые В. Высоцким: «…и раздувают щеки холодной острой бритвой восходящие потоки», в которые бросаются орлы и аисты, находящие эти «воздушные лифты» при помощи чувствительных перышек на кончиках крыльев. Любят их и «стальные птицы», которые должны быть внимательны к напряженности электрического поля «туча-земля», чтобы избежать молнии. Поле возникает вследствие того, что:

• вода, оказавшаяся в середине тучи, приобретает подобие положительно заряженных льдинок и отрицательно заряженных градинок;
• восходящие потоки, словно отделяя зерно от плевел, подхватывают более легкие льдинки (+) на высоту до 15 км, в то время как тяжелые градинки (-) оседают в центральной части тучи;
• под тучей, на поверхности земли и на всех предметах, согласно законам электростатики, накапливаются заряды противоположного знака (+).

Типичное расписание атмосферных зарядов показано на рисунке 1.

Рис. 1. Типичное расписание зарядов в грозовой туче и под ней:

а – водяной пар;

б – механизм образования и разделения электрических зарядов;

в – отрицательная молния «туча-земля»;

г – положительная молния «туча-земля»;

д – встречные стримеры.

Положительные заряды губительно действуют на людей и животных – по этой причине природа перед грозой замирает, все живое прячется в щели, дупла, кусты и пещеры, искоса поглядывая на свинцово-черную тучу, переполненную, как мы теперь знаем льдинками, градинками и солнечной энергией в форме сверхмощного электрического поля. С подобным полем, правда, переменного тока 50 Гц, хорошо знакомы работники электрических подстанций воздушных линий высокого напряжения. Автору на собственной шкуре пришлось почувствовать градиент электрического поля на ОРУ 1150 кВ под Кокчетавом, когда напряжение на кончике травинок высотой в 30 см было достаточным, чтобы ощутимо «клюнуть» ногу сквозь джинсовую ткань. По инструкции траву следовало косить в экранирующем костюме с вплетенными металлизированными нитями. К слову, у мужчин, которые там работали, рождались преимущественно мальчики.

В середине тучи, между зарядами противоположного знака, также образуется электрическое поле; обычно здесь нагромождается целая система зарядов положительной и отрицательной полярности. По правде говоря – вышеупомянутый механизм образования атмосферного электричества является лишь одним, наиболее широко применяемым объяснением сложных природных явлений. Существуют другие теории, так как изучение разделения зарядов в середине тучи является довольно непростой задачей, исследованием этих явлений занимается большая когорта специалистов и научных учреждений. Так или иначе, пока светит солнышко – восходящие потоки, знай себе, «накачивают» тучу электрическими зарядами, пока гром не грянет.

Замена электрической изоляции воздухом происходит лишь до определенного предела напряженности электрического поля, которая, в зависимости от атмосферных условий, составляет 0,5…10 кВ/м. Именно этот параметр контролируют системы безопасности самолетов, находясь под тучей. Системы предупреждения есть и у нас с вами. Прошлым летом несколько молодых людей, путешествуя в горах, с удивлением почувствовали, как их волосы встали дыбом и с их концов посыпались искры. Уникальное явление тут же увековечили на снимке, но для некоторых из них это была последняя прижизненная фотография – через несколько секунд группу накрыл разряд молнии… К счастью, преобладающая часть атмосферных разрядов вспыхивает в середине тучи или между тучами: заряженных участков тут много, и два-три небольших разряда способны ионизировать воздух в определенной зоне, нарушая тем самым электрическое равновесие. Отрицательный разряд в направлении земли происходит следующим образом.

При критических значениях напряженности поля начинается процесс ударной ионизации атомов газов, из которых состоит воздух. Свободные электроны, ускоряясь электрическим полем, ионизируют атомы, привлекая в свои ряды все новые и новые электроны. Такие лавины электронов собираются в стримеры – каналы с повышенной проводимостью, а соединения стримеров сплетаются в воздухе в термоионизированный канал высокой проводимости - лидер молнии. Этот лидер называют ступенчатым, потому что молния растет дискретно. Каждый «прыжок» лидера составляет около 50 м, что соответствует радиусу электрического поля критической напряженности сферической формы. Закрывши своим каналом очередной промежуток «центр сферы – поверхность», лидер «замирает» приблизительно на 50 мкс, пока вокруг головки лидера снова сформируется сферическое поле, энергия для образования которого поставляется с матери-тучи термоионизированным каналом около 5 см толщиной. С приближением к земле, напряженность вокруг головки лидера увеличивается и вот уже от заземленных предметов навстречу ему начинают прорастать встречные стримеры с током в сотни ампер (рис. 1,д), благодаря чему происходит первичная разрядка того участка тучи, с которого началось развитие лидера. В этой стадии лидер имеет наиболее разветвленную форму, поэтому очень трудно определить, которая (или которые) именно из его «ветвей» сомкнутся со встречными стримерами. Тогда разряд вступает в завершающую фазу – обратного, или главного разряда хорошо ионизированным каналом лидера. Ток здесь составляет от десятков до нескольких сотен килоампер, температура канала, – 20 000.30 000оС, а скорость его продвижения – до 100 тысяч км/сек. Только здесь канал загорается бело-голубым сиянием, что позволяет увидеть тот извилистый путь, которым предварительно, незримо для нас, проходил лидер. Взрывное расширение канала воспринимается нами как гром. Раскаленный и ионизированный канал молнии используется обычно, как проторенная дорога, которой грозовая туча разряжается на землю несколькими следующими импульсами (рис. 2). Повторные импульсы характеризуются меньшей амплитудой, но более стремительным фронтом. Между импульсами по каналу может течь ток постоянной составляющей.

Рис. 2. Реальный грозовой импульс и стандартизированный «10/350»

Как уже было сказано, такой разряд называется отрицательным, в отличие от положительного (рис. 1, г), который чаще зарождается сбоку от верхней части грозовой тучи (соответственно заряженные легкие льдинки собираются именно здесь). Если «метла» отрицательной молнии направлена «древком» кверху, то положительная запускает вглубь тучи многочисленные отрицательные «веточки», собирая заряды сразу от нескольких групп зарядов. Могучее «древко» загорается красным, оно направлено к наземным объектам, несет в одном канале разряда разрушительный суммарный ток «веточек». Именно он является виновником пожаров и героем поговорки «гром посреди ясного неба». На наше счастье, положительные молнии случаются редко. Самые длинные, длиной в сотню километров, удалось заметить в верхних слоях атмосферы благодаря развитию пилотируемых околоземных космических полетов. Именно они являются основным поставщиком озона для противорадиационного экрана нашей планеты.

Подытоживая изложенное, обратим внимание на такие важные для дальнейшего рассмотрения моменты:

В1) Возникновению молнии предшествует существенное повышение напряженности электрического поля, которое чувствуют живые существа, и способны фиксировать приборы.

В2) Путь, по которому происходит атмосферный разряд, является трудно прогнозируемым и формируется ступенями длиной около 50 м.

В3) Молния имеет разветвленную форму на лидерной стадии, в конце которой от заземленных предметов образуются встречные стримеры с током в сотню ампер.

В4) Ток главного разряда молнии имеет форму импульса с фронтом около 10 мкс и амплитудой в десятки килоампер.

LEMP. Электромагнитный импульс молнии

От канала молнии, со скоростью света, распространяется импульсное электромагнитное поле. В соответствии с законами электромагнитной индукции, во всех проводящих элементах, которые попали в это поле, возникают импульсы напряжения, а в замкнутых контурах протекают импульсные токи (рис. 3).

Рис. 3. Возникновение направленных импульсов перенапряжений в линиях электрокоммуникаций и проводящих конструкционных элементах в результате близкого разряда молнии

Амплитуда направленных (или «транзиентных», как их любят называть в переводах на кириллицу компьютерные программы) импульсов определяется, среди прочего:

• амплитудой (чаще всего 10.30 кА) и формой импульса молнии;
• расстоянием от канала главного разряда и его расположением относительно вторичного контура;
• конструкцией и протяженностью вторичного контура – линия питания, коаксиал, витая пара;
• экранированием, или близким расположением «естественных» экранирующих элементов.

Индуктируемые импульсы могут в 10—30 раз превышать рабочие параметры линий (особенно низковольтных, информационных). На рис. 3 недаром показан наведенный ток в подземных кабелях. В [1], на основании экспериментальных данных с полигона во Флориде, показано, что жилами экранированного кабеля, закопанного на 0,9 м, протекает импульс тока 2,5 А от близкого (около 200 м) удара молнии (при этом ток в экране – 150 А !). Это свойство молнии еще в июне в 1895 г. была удачно использовано русским изобретателем радио Александром Степановичем Поповым для создания метеорологического прибора – розрядоотметчика (грозоотметчика) Попова (www.1september.ru/ru/fiz/2¬002/16/no16_1.htm-30k). В сегодняшнем эфире, наполненном «под завязку» модулируемыми и не очень колебаниями, LEMP лучше всего слушать в полосе 300 кГц. Когда Вы читаете эти строки, разбросанные по планете локационные станции беспрерывно «вслушиваются» в грозовую деятельность. Связанные системой единого времени через спутники GPS, они пересылают «импульсный портрет» каждой зафиксированной молнии в центр обработки данных. Здесь, сопоставляя полученные данные, определяют более-менее точное место удара, полярность и амплитуду.

Модернизированные грозоотметчики персонально-бизнесового использования, способны строить карты грозовой активности на мониторе в реальном времени и выдавать сигналы «АЛЯРМ» и «ОТБОЙ». Стационарные стоят до $1000, портативные, со светодиодной индикацией, – более дешевые. Есть на рынке, также, системы мониторинга напряженности электрического поля «туча-земля» с датчиком типа «ветряк» и сигнализацией, предупреждающей об опасности (см. вывод В1).

Применение систем предупреждения особенно имеет смысл в тех учреждениях, где есть системы бесперебойного питания, то есть имеется возможность существенно уменьшить достоверность занесения высокого потенциала кабельными линиями, временно отключившись от внешних электросетей.

Имея базу данных относительно грозовой активности на протяжении года, можно проработать ее и получить обобщающие показатели, такие как:

• грозовые дни (Td);
• грозовые часы (Th);
• плотность грозовых разрядов на 1 км2 (Ng);
• интенсивность грозы (число разрядов за час).

Приведенные в [2] сведения (табл. 1), в соответствии с данными директора Харьковского научно-исследовательского и проектно-конструкторского института «Молния» профессора В.И. Кравченко, подлежат корректировке в сторону роста интенсивности грозовой деятельности, в результате потепления климата за последние несколько лет.

Норма МЕК [3] представляет собой, используемую в Европе, методику оценки риска, связанного с грозовым поражением, в частности значения параметра Ng не превышает 4,5 ударов на 1 км2 в год. В таблице 2 показаны результаты перерасчета Th в Ng по методике, приведенной в [2], из которых следует, что интенсивность гроз на Украине не меньше, чем в Европе, в которой вопросам молниезащиты уделяется намного больше внимания.

Монтажники на выставке в Симферополе обратили внимание автора на то, что в наших строительных каталогах нет никаких упоминаний о молниезащите, тогда как в странах Средиземноморья (та же климатическая зона, что и Крым) такие системы четко видны на цветных рисунках изысканных коттеджей.

Из этого раздела делаем следующие выводы:

В5) Во всех проводящих частях, которые находятся вблизи от места удара молнии в заземленный предмет, индуктируются микросекундные импульсы напряжения/тока;

В6) Индуктируемые импульсы, амплитуда которых в 10–30 раз превышает рабочие параметры, способны повредить аппаратуру или вызвать сбой;

В7) Соседство высокого сооружения, в которое часто попадает молния, не столько защищает объект, сколько вынуждает дополнительно защищать сети от опасных импульсов, индуктируемых LEMP.

В8) Интенсивность гроз на Украине заслуживает значительно большего внимания, чем сегодня.

В9) Информационно развитые государства активно используют и развивают аппаратно-программные средства для локации атмосферных разрядов.

В10) Для предотвращения поражения молнией можно воспользоваться предупреждением о приближении грозы по данным из Интернета или от установленных самостоятельно компьютеризованных систем мониторинга.

Молниезащита

Два предыдущих раздела укрепили нас в мысли, что разряд молнии является наиболее опасным импульсным электрическим явлением, способным серьезно навредить нормальной работе электрических/электронных устройств. Правда, в мирное время, поскольку электромагнитный импульс ядерного взрыва NEMP (Nuclear Electromagnetic Pulse) является еще более могущественным чем LEMP (Lightning Electromagnetic Pulse). Военно-технические технологии позволяют создать NEMP другими методами – без самого ядерного взрыва.

Но, углубляясь в электромагнитно-импульсные детали, не стоит забывать о необходимости защиты имущества и жизни от прямого поражения молнией. Вспомним вывод В3, и оборудуем защитное сооружение искусственным «встречным стримером» в виде достаточно высоко поднятого заземленного металлического стержня для перехвата лидера. Вот только проверить действенность такой молниезащиты удается лишь статистически. То есть:

• лидер двигается прыжками по 50 м длиной (вывод В3);
• человечество до сих пор не смогло создать электрическую установку, способную пробить воздушный промежуток в 50 м;
• опыты, проведенные в горных или тропических «естественных» условиях, где интенсивность молний относительно более высокая, лишь условно можно распространить на умеренные широты и равнины (а именно здесь расположено большинство защищаемых объектов);
• молнии «по вызову», инициированные триггерным методом (ракета с проводом под тучу), также не являются полностью естественными (могли же и не попасть в исследуемый объект, если бы не ионизированный канал (да еще и с металлом, который испарился).

Поэтому, как отмечалось осенью 2004 года на 27-й международной конференции по молниезащите, достоверная оценка эффективности тех или других систем перехвата молнии возможна лишь путем массовой регистрации попаданий, которые происходили естественным способом. В качестве недорогого, но достоверного регистратора была упомянута Pcs-карточка (Peack Current Sensor), которая несколько лет назад была выпущена для массового пользования фирмой OBO Bettermann Gmbh&co. Она позволяет зарегистрировать амплитуду импульсного тока, который прошел по токоотводу Ø 8–10 мм. Обычно, пластиковая кассета-зажим с карточкой должна быть закреплена на проводе предварительно. Для считывания зафиксированной амплитуды с помощью специализированного приспособления карточку надлежит вынуть из кассеты.

Существуют также счетчики грозовых поражений, но они намного дороже. Только таким образом представляется возможным оценить реальную эффективность, так называемых, «активных», или ESE (Early Streamer Emission) молниеприемников. Как видно из названия, их разработчики пытаются инициировать навстречу лидеру искусственно созданные стримеры, вместо того, чтобы продлить стержень молниеприемника на 10–20 см. Стоят ESE недешево, установлены не на рядовых объектах, поэтому вред от прорыва молнии сквозь такую защиту должен быть ощутимым. Примеры таких случаев уже приводились в отечественной технической периодике, а легальное использование ESE допускается лишь нормами двух-трех стран, где они изготовляются. Основным действующим отечественным нормативным документом [4] относительно устройства молниезащиты сооружений предусмотрена лишь пассивная молниезащита, в чем его требования совпадают с международными нормами [5]. Приходится признать, что в модернизации этих норм мы отстали не только от центральноевропейских, но и от некоторых постсоветских стран.

Незаурядный профессионализм и осведомленность надлежит иметь тому проектировщику и монтажнику, который пытается соответствовать уровню своих европейских коллег, имея дело с амбициозными сооружениями и современными строительными конструкциями. Ведь у нас, как проектирование, так и монтаж систем молниезащиты, является лицензированной деятельностью, которая нуждается в специальном разрешении от МЧС. Тем не менее, легальное, экономически обоснованное, техническое решение всегда можно найти, стоит лишь своевременно, еще до окончания строительства фундамента сооружения, иметь проект системы молниезащиты. Итак, порядок проектирования внешней молниезащиты (потому что есть еще и внутренний).

Сооружение из монолитного железобетона в городской застройке

Начнем с фундаментного заземления, то есть, в соответствии с рекомендациями [4, 5], попытаемся использовать стальную арматуру для отведения в землю тока молнии. Такой способ является экономически целесообразным, позволяет получить надежное заземляющее устройство, рассчитанное на долговременную эксплуатацию, но нуждающееся в соответствующей культуре производства, ведь все электрические соединения останутся в толще бетона и исправить небрежность будет ой, как не просто.

Сначала надлежит проложить по периметру сооружения оцинкованную полосу 30х3,5 мм (должна быть по меньшей мере 100 мм2). В бетоне хватит цинкования в 250 г/м2, тогда как для размещения в почве должена быть 500 г/м2. Полосы прокладывают сквозь переплетение арматуры, устраивая с ней электрическое соединение каждые 20 м с помощью предназначенных для этого зажимов. Дальше, вдоль и поперек контура фундамента, таким же образом прокладывают полосы, образуя сетку с амбарчиком 20х20 м (рис. 4).

Рис. 4. Пример конструкции фундаментного заземления с сеткой 20х20 м из оцинкованной полосы 30х3,5 мм согласно стандарта Din18014:

1. Фундаментное заземление.
2. Присоединительная шина заземления.
3. Клемма «полоса-арматура».
4. Клемма «полоса-полоса».
5. Дополнительное соединение гибкой шиной в месте разрыва арматуры.
6. ГШВП в вводном устройстве.
7. ВШВП в местах ввода сигнальных линий и неэлектрических металлических коммуникаций.
8. Выпуски от заземления в сторону, в середину сооружения.

От сетки делаются выпуски:

• вверх к угловым и фасадным (с шагом 20 м) колоннам, в которых будут проходить токоотводы с крыши;
• в сторону, вовнутрь сооружения на тех отметках, где, в вводном устройстве, будет установлена главная шина выравнивания потенциалов (ГШВП) и в местах введения информационных линий, водогона и водоотвода, вспомогательные (ВШВП).

Выпуск в сторону выполняется с применением закладной детали, один конец которой выходит на поверхность железобетонной конструкции и имеет внутреннюю резьбу М8–М10, а другой – электрически соединенный с электродами фундаментного заземления с помощью соответствующего зажима. Упомянутые элементы можно найти в технических каталогах фирм, которые разрабатывают, изготовляют и продают в Украине комплектующие для систем молниезащиты и заземления, отвечающие требованиям европейских норм.

В ходе монтажа несущих железобетонных конструкций сооружения надлежит проложить выбранными колоннами токоотводы молниезащиты. Они могут быть из той же штабы, или из арматурной стали. В последнем случае отдельные отрезки соединяются сваркой и красятся в яркий цвет для облегчения контроля непрерывности электрических соединений. От токоотводов колонн, таким же образом, как и в фундаменте, делаются выпуски:

а) на фасадную поверхность вблизи земли и через каждых 20 м по высоте – для создания в последующем опасок, которые выравнивают токи между токоотводами, или для присоединения к каркасам витражних систем;

б) на фасадную поверхность в местах, где может быть установлено электрическое оборудование (антенны, солнечные батареи/коллекторы, климатизация);

в) вовнутрь в местах, где могут быть установлены местные ШВП (ванные комнаты, серверные, аппаратные службы связи и охраны).

Завершающим этапом является монтаж молниезащитной сетки на плоских крышах. Здесь также надлежит максимально использовать «естественные» молниеприемники и токоотводы. Номенклатура изделий, предназначенных для этой части систем молниезащиты наиболее разнообразна, поэтому тщательное изложение этого раздела войдет в следующую публикацию.

Вторая часть >>>

Евгений БАРАННИК,
ведущий специалист по молниезащиты
и электромагнитной совместимости
ООО «ОБО Беттерманн Украина»