Молнии и молниезащита

Статистика


Рис. 1. Частоты ударов молний на км2 за год ([1].NASA/GHRC/NSSTC Lightning Team)

Вероятность поражения молнией объекта высотой до 30 м составляет для европейской части России не более чем 0,1 за год [2].

По разным оценкам, число жертв ударов молний составляют от 3 до 24 тысяч человек за год. Общее число пострадавших примерно в 10 раз больше. Согласно приведенным в [3] данным по США за 2006-2012 г.г., наиболее опасно для поражения молнией нахождение у воды: — 51 погибший из 238 (26 на рыбалке, 14 на лодке, 11 на пляже). Отмечается, что многие жертвы были в нескольких шагах от безопасного укрытия и необходимо убедить людей защищать себя во время грозы.

Считая потенциально опасным удар молнии на расстояни менее 50 м, при 10 ударах на кв. км получим вероятность такого события за сезон 0,1 — одного порядка с оценкой [2] для прямого удара в высокий объект. Это означает, что за 5 полных грозовых сезонов (в средних широтах 20 месяцев) вероятность испытать близкий удар молнии или получить прямой удар в мачту может достичь 40%.

Молния

Разряд молнии начинается в облаке и шагами длиной до десятков метров устремляется к земле со средней скоростью порядка 200 км/с. Основную роль в развитии разряда играют фотоионизация [4], а согласно новой теории, и космические частицы высоких энергий, создающие в атмосфере ливень заряженных частиц. Оба механизма приводят к разветвленной форме разряда, часто с боковыми каналами различной мощности.

Вблизи поверхности земли (воды) под действием электрического поля лидера молнии из какой-либо точки выбрасывается встречный разряд, который сливается с основным на высоте порядка 30-50 м (высота ориентировки молнии). По образовавшемуся ионизированному каналу происходит основной разряд. Обычно молния состоит из 2-3 повторных разрядов, иногда их могут быть и десятки. Полная длительность молнии достигает 0,2 -1 с.

Важно понимать, что приход разряда молнии к поверхности земли на высоту ориентировки — случайное событие, повлиять на которое невозможно. Можно повлиять только на место выброса встречного стримера, поставив для этого высокий молниеотвод. Хорошее заземление молниеотвода обеспечит проход и рассеивание импульса тока без разрушений. При отсутствии заземления разряд проложит свой путь, возможно, пробив корпус лодки, расщепив деревянную мачту или поразив человека.

Как правило, разряд молнии проходит по пути с наибольшей электропроводностью (на суше в местах с более электропроводным грунтом, даже находящиеся в низинах). Это объясняется не более легким прохождением основного разряда (он проложит себе путь через любой изолятор) а облегчением токов, подтягивающих заряды противоположного знака на «подготовительном этапе» — лидерной стадии разряда [5]. Однако, заряды противоположного знака скапливаются под лидером молнии на любых предметах. Изоляция объекта от земли не обеспечивает защиту от поражения, в условиях эксперимента лишь несколько снижая частоту попаданий [2]. В реальных условиях грозы с ливнем даже изолированные от земли или состоящие из изолирующих материалов объекты будут мокрыми и, «с точки зрения» ориентации искрового разряда, вполне заземленными.

Разряд обычной молнии переносит от 2 до 20 кулон электричества, максимальный ток разряда 20-40 кА, длительность импульса тока 10-30 мкс при длительности переднего фронта 1,5-10 мкс. (Более полные данные приведены в [5]). Самые мощные молнии сильнее примерно в 10 раз, но они редки (1-2%).

Молниеотвод

Несколько важных моментов.

  1. Зона надежной защиты (высотой не более 30 м) ограничена направленным вниз от вершины молниеотвода конусом с углом от вертикали 30° а не 45° как считалось ранее [2].
  2. Если молниеотводом служит мачта яхты, при ходе с креном наветренный борт может оказаться вне зоны защиты.
  3. Поскольку разряд молнии является ВЧ импульсом, для его отвода важно минимальное индуктивное сопротивление заземления. Из-за наличия сопротивления напряжение при разряде молнии даже в прямой молниеотвод бывает достаточным для выброса боковых искр к соседним заземленным предметам. Изгибы линии заземления увеличивают индуктивное сопротивление, при этом боковые разряды могут оказаться сравнимы по мощности с основным.

Интересен вопрос о возможном нагреве молниеотвода при проходе разряда. При переносе 20 Кл током 20 КА (разделение на импульсы здесь неважно) по медному проводу диаметром 2 мм он нагреется всего на 21 градус. Однако, какое-либо местное сопротивление, например, плохой контакт, может привести к плавлению или даже взрыву такого места.

Рекомендации

Молниезащита яхт наиболее детально рассмотрена в гл. 5 книги Н.Калдера [6]. Основные рекомендации следующие:

  1. Заземлять следует не только молниеотвод (металлическую мачту), но и снасти стоячего такелажа, по которым из-за наличия индуктивного сопротивления основного пути неизбежно будет уходить часть разряда.
  2. По американским стандартам провод, соединяющий молниеотвод с землей, должен иметь сечение не менее 21 мм2, остальные провода системы молниезащиты 13 мм2. (Ранее считалось достаточным 8 мм2).
  3. Провода заземления должны идти по возможности прямо, при необходимости изгиба он должен быть плавным.
  4. Так как ВЧ токи распространяются в поверхностном слое металла, вместо кабеля лучше использовать металлическую полоску или сплющенную трубку.
  5. На стеклопластиковой или деревянной парусной яхте, имеющей находящийся в воде металлический киль или шверт, он и служит заземлением В других случаях под водой ставится металлическая пластина заземления площадью не менее 0,1 м2 для морской воды и возможно большей площади, порядка 1 м2, для пресной.

Г.Шмерлинг


Литература

1. Википедия, статья «Молния»

2. В.Куприенко. Молниезащита маловысотных сооружений исследования и испытания. Новости электротехники №6(24) 2003.

3. Статистика смертей от молнии.

4. Путилов К.А. Курс физики, ГИФМЛ, М, 1963, с. 235

5. Юриков П А. Защита электростанций и подстанций 3-500 кв от прямых ударов молнии, М., Энергоиздат, 1982

6. Nigel Calder, Boatowner’s Mechanical and Electrical Manual, Third Edition. McGraw-Hill, 2005