Передумови переходу від захисного кута до сфери, що котиться в розрахунках блискавкозахисту

Анотація

У статті розглянуто еволюцію методів визначення зон захисту блискавковідводів від методу захисного кута до методу сфери, що котиться. Проаналізовано фізичні передумови зміни підходів до проєктування систем блискавкозахисту, недоліки традиційного методу захисного кута та переваги сучасного електрогеометричного методу. Встановлено, що розвиток знань про процеси формування блискавкового розряду, накопичення статистичних даних про ураження об'єктів та необхідність підвищення надійності захисту складних інженерних споруд стали основними чинниками переходу до методу сфери, що котиться, закріпленого сучасними міжнародними стандартами.

Ключові слова: блискавкозахист, блискавковідвід, захисний кут, сфера, що котиться, електрогеометрична модель, зона захисту.

Вступ

Забезпечення ефективного блискавкозахисту будівель і споруд є одним із ключових завдань електротехнічної галузі. Протягом тривалого часу для визначення зон захисту блискавковідводів використовувався метод захисного кута, який відзначався простотою розрахунків та графічної побудови. Проте подальші дослідження фізики блискавкових розрядів показали, що такий підхід не завжди забезпечує необхідну точність для сучасних об'єктів складної конфігурації.

У другій половині ХХ століття розвиток електрогеометричної теорії блискавки привів до появи методу сфери, що котиться (Rolling Sphere Method), який сьогодні є основним інструментом визначення зон блискавкозахисту відповідно до стандартів IEC 62305 та гармонізованих національних нормативних документів.

Метод захисного кута та його особливості

Метод захисного кута базується на припущенні, що зона захисту блискавковідводу має форму конуса або подібної геометричної фігури. Межа цієї зони визначається кутом між вертикаллю та лінією, проведеною від вершини блискавковідводу до межі захищеної області.

Основними перевагами методу є:

  • простота практичного застосування;
  • можливість швидкого графічного визначення зони захисту;
  • мінімальна потреба в обчисленнях.

Разом із тим метод має суттєві обмеження. Захисний кут розглядається як постійна величина або функція висоти блискавковідводу, тоді як реальний процес приєднання блискавки до об'єкта залежить від багатьох факторів: амплітуди струму розряду, геометрії споруди, взаємного розташування конструктивних елементів та характеристик навколишнього середовища.

Практичний досвід експлуатації показав випадки ураження об'єктів, які формально перебували в межах розрахованої зони захисту. Особливо це стосувалося високих будівель, промислових підприємств, резервуарних парків та споруд зі складною архітектурною формою.

Розвиток електрогеометричної моделі блискавки

Подальші дослідження механізму блискавкового розряду засвідчили, що процес приєднання блискавки визначається взаємодією низхідного лідера з поверхнею землі та висотними об'єктами. Встановлено, що відстань, на якій можливе завершення каналу розряду між лідером і об'єктом, залежить від величини струму блискавки.

На основі цих уявлень була розроблена електрогеометрична модель (Electrogeometric Model, EGM). Відповідно до неї навколо низхідного лідера можна уявити сферу певного радіуса, яка відображає критичну відстань приєднання розряду. Якщо сфера торкається елемента споруди, цей елемент стає потенційною точкою удару блискавки.

Таким чином виникла концепція сфери, що котиться, яка моделює можливі траєкторії наближення блискавкового каналу до об'єкта.

Передумови переходу до методу сфери, що котиться

Перехід до нового методу був обумовлений кількома взаємопов'язаними чинниками.

Удосконалення знань про фізику блискавки

У другій половині ХХ століття значно розширилися експериментальні дані щодо параметрів блискавкових розрядів. Було встановлено, що зона можливого ураження не може адекватно описуватися єдиним захисним кутом. Виявилася необхідність врахування ймовірнісного характеру процесу перехоплення блискавки.

Недостатня точність методу захисного кута

Для споруд значної висоти та складної конфігурації метод захисного кута часто переоцінював ефективність захисту. У ряді випадків виникали так звані «незахищені кишені» між блискавковідводами або біля виступаючих елементів конструкцій.

Зростання складності об'єктів

Сучасні промислові комплекси, нафтогазові об'єкти, телекомунікаційні вежі та висотні будівлі потребували більш точного прогнозування зон можливого ураження. Простих геометричних моделей стало недостатньо для забезпечення нормативного рівня безпеки.

Необхідність уніфікації міжнародних стандартів

Розробка міжнародних стандартів серії IEC 62305 вимагала використання методу, який мав би чітке фізичне обґрунтування та дозволяв диференціювати рівні блискавкозахисту залежно від ризику. Метод сфери, що котиться, виявився найбільш придатним для цієї мети.

Сутність методу сфери, що котиться

Метод полягає в уявному перекочуванні сфери визначеного радіуса по поверхні землі та елементах споруди. Точки, яких сфера може торкнутися, вважаються потенційно вразливими до прямого удару блискавки. Елементи, що не контактують зі сферою через наявність блискавкоприймальних пристроїв, знаходяться в зоні захисту.

Радіус сфери залежить від обраного рівня блискавкозахисту:

  • I рівень — 20 м;
  • II рівень — 30 м;
  • III рівень — 45 м;
  • IV рівень — 60 м.

Зменшення радіуса відповідає більш суворим вимогам до захисту та враховує можливість ударів блискавок із меншими значеннями струму.

Переваги сучасного підходу

Порівняно з методом захисного кута метод сфери, що котиться, має такі переваги:

  • враховує фізичні особливості процесу приєднання блискавки;
  • забезпечує вищу точність для складних об'єктів;
  • дозволяє оцінювати ефективність систем блискавкозахисту різних конфігурацій;
  • узгоджується з ризик-орієнтованим підходом сучасних нормативних документів;
  • є універсальним для будівель будь-якої форми та висоти.

Висновки

Перехід від методу захисного кута до методу сфери, що котиться, став закономірним етапом розвитку теорії та практики блискавкозахисту. Основними передумовами цього переходу стали накопичення експериментальних даних про фізику блискавки, виявлення обмежень традиційних методів розрахунку, зростання складності сучасних інженерних споруд та необхідність підвищення надійності систем захисту. Метод сфери, що котиться, забезпечує більш реалістичне моделювання процесу ураження блискавкою та сьогодні є базовим інструментом проєктування систем блискавкозахисту відповідно до міжнародних стандартів.

Список використаних джерел

  1. IEC 62305-3: Protection against lightning – Part 3: Physical damage to structures and life hazard.
  2. IEC 62305-1: Protection against lightning – Part 1: General principles.
  3. Rakov V. A., Uman M. A. Lightning: Physics and Effects. – Cambridge University Press, 2003.
  4. Cooray V. An Introduction to Lightning. – Springer, 2015.
  5. ДСТУ EN 62305-3:2022 Блискавкозахист. Частина 3. Фізичні пошкодження споруд та небезпека для життя.