Стоит ли доверять громоотводам?

Сам по себе молниеотвод ‒ изобретение не очень сложное. Если упростить, то молния – это просто разряд, пробивающий изолятор, в качестве которого выступает воздух. Искра летит по пути наименьшего сопротивления. Соответственно, чем меньше толщина изолятора, тем более привлекателен он для прохождения грозового канала. Молниеотвод как раз и сокращает эту толщину, приближая «землю» к небу. В месте, где установлено такое искусственное возвышение, прохождение искры выше. Таким образом, молния «ловится» на протяжении уже многих лет. Мы здесь не вдаёмся в подробности, связанные с различными экспериментами, стоившими жизни и здоровья первым исследователям атмосферного электричества. Хрестоматийным стал эксперимент Франклина, где использовались воздушные змеи, которых экспериментатор держал в руках. Ему очень повезло, что хлопчатобумажная нить, которой змей связывался с держателем, оказалась плохим проводником. А вот исследователю из Эстонии Рихману повезло меньше, и он вошёл в историю как первый учёный, убитый молнией во время эксперимента.

С момента экспериментов Рихмана и Франклина прошло более двух веков. Принцип молниезащиты за это время не изменился. Она по-прежнему работает как проводник, направляющий разряд от неба в землю по наиболее безопасному для человека пути. В качестве таких проводников выступают высокие стержни на зданиях или рядом с промышленными объектами. На линиях ЛЭП используется горизонтальный электрод, проходящий над основными силовыми кабелями.

Однако не нужно думать, что на протяжении двух веков громоотводы не совершенствовались. Сегодня при их проектировании проводятся сложные расчёты, в ходе которых в том числе устанавливается, какая высота молниезащитного шпиля требуется для того, чтобы обезопасить конкретный объект. Этот вопрос начал разрешаться только в середине двадцатого века.

Для проведения расчётов была построена специальная лаборатория. Здесь генерировались длинные искры, которые по своей сути и являются молниями. Длина их в лабораторных условиях составляет до 5 метров. Здесь же располагались макеты зданий и громоотводов разной высоты. Учёные проделали сотни повторений эксперимента, отмечая, куда попадают разряды – в землю, громоотвод или в защищаемый объект. Таким образом, экспериментально впервые были просчитаны защитные зоны для громоотводов разной конструкции и объектов разной высоты. В таких зонах вероятность поражения объекта была минимальной. Согласно сделанным учёными расчётам были составлены нормативные документы во многих странах, в том числе в России.

У нас в стране до 2003 года действовали нормативы, которые разделяли защитные зоны на два типа. Причём в документации указывалось, что тип А более защищён, чем тип Б. Какой конкретно была разница, стало понятно только после 2003 года, когда были введены новые нормативы. Здесь уже обозначение было не буквенным, а цифровым. Одна зона обозначалась как «0,9». Эта цифра означает, что один разряд из десяти в данной области может попасть в защищаемый объект. Другая зона – «0,999». Здесь уже вероятность попадания молнии составила 1 раз из тысячи.

Что означают приведённые выше цифры? Догадаться, думается, несложно. Они означают, что даже в самой безопасной зоне рядом с громоотводом вероятность поражения молнией не нулевая. Это, в принципе, вполне ожидаемый результат. Не бывает идеальных технических изделий, в том числе защитных.

Как же точно рассчитать, насколько надёжен тот или иной молниеотвод? Классический путь для решения такой задачи – наблюдение. Берём, например, тридцатиметровую башню и громоотвод рядом с ней. И наблюдаем, как работает защитная система, регистрируя все случаи попадания молнии. Только проблема в том, что в Центральной России вероятность попадания молнии в такой объект – около 1 раза в 15 лет. Представьте себе, сколько времени пройдёт, чтобы мы могли получить статистически значимые результаты. Причём всего по одному конкретному объекту. Если нам нужно просчитать зону с вероятностью попадания разряда в 0,999, тогда на подсчёты по данной методике уйдёт примерно 15 тысяч лет.

Чтобы сделать всё значительно быстрее, можно увеличить количество анализируемых башен. Но в этом случае существенно возрастают наши затраты на эксперимент. К тому же мы будем получать статистику для очень разных объектов и разных условий. То есть нам, по сути, придётся наблюдать за всем набором высотных объектов и громоотводов к ним на планете. Это очень дорого.

Так, может, нам придут на помощь лабораторные исследования, о которых мы говорили выше? Здесь ведь можно отлично собирать статистику, работая с длинными искрами. Тем более что современное оборудование позволяет получать искру длиной уже в 30 метров. Увеличение скорости сбора данных налицо. Однако такой путь для точных подсчётов тоже не подходит. Дело в том, что на полученные результаты значительно влияет масштаб исследуемых макетов. Если говорить в целом, то можно сказать, что подобные испытания позволяют понять, какой тип громоотвода более эффективен. Но вот определить точный количественный показатель по такой методике не удаётся. Для этого требуются более внушительные размеры макетов.

Из-за того, что сами исследователи, находящиеся на передовом крае молниезащиты, не могут пока с уверенностью рассказать об эффективности работы громоотводов, возникают многочисленные спекуляции. Большинство из них не следует удостаивать внимания. Но есть одна методика, которая даже стала частью государственных стандартов России. Она называется «метод катящейся сферы».

Этот способ расчёта безопасной зоны привлекает своей простотой. Рассчитывается защитная зона следующим способом. Нам необходимо представить воображаемую сферу диаметром 20, 30, 45 или 60 метров в зависимости от нужного нам уровня защиты объекта. Мы должны «катать» её вокруг громоотвода, прижав к нему. Пространство между внешними границами сферы и землёй и будет искомой защищённой зоной. Метод, конечно, интересный, однако совершенно непонятно, откуда взялись расчёты. Не удаётся отыскать ни одного упоминания этого метода в научной литературе. Не получается найти и исходные данные, по которым производились расчёты, да и самих расчётов попросту нет – только категорические выводы с указанными диаметрами сфер для разных степеней защиты. Как спорить с этой системой, тоже не очень понятно, но мы попробуем, воспользовавшись накопленным опытом и теоретическими знаниями в области искрового разряда.

Представим себе громоотвод в виде высокого стержня. Его высота равна радиусу шара, который мы будем катать в соответствии с описанной выше методикой. Получившаяся в результате катания воображаемая защитная зона будет иметь форму конуса с вершиной в самой высокой точке громоотвода. А это означает, что расположенный рядом со стержнем объект будет защищён от молнии больше всего. Но это умозаключение абсурдно. Проверить его можно с помощью простого эксперимента. Поместим в лабораторных условиях рядом с нашим громоотводом стержень той же высоты. Он будет внутри описанной окружностью зоны. Несложно проверить, что при включении генератора длинных искр молнии будут попадать в оба стержня с одинаковой вероятностью. Эффективность громоотвода может проявиться только в том случае, если он выше защищаемого объекта.

В принципе, этой нестыковки вполне достаточно, чтобы усомниться в методике катящегося шара. Но мы всё-таки отметим ещё одну несуразицу. Для этого увеличим высоту нашей молниезащиты. Если верить методике, то получается, что с ростом громоотвода его эффективность не должна расти. Ведь крутим мы вокруг него один и тот же шар, который описывает одинаковые конусы независимо от высоты стержня. При этом многолетняя практика говорит о том, что с увеличением высоты громоотвода повышается его эффективность и безопасность объектов поблизости. И, несмотря на все эти очевидные глупости и нестыковки, метод катящегося шара продолжает активно насаждаться у нас в стране. Возможно, это связано с тем, что данная методика применяется за рубежом, и наши чиновники стремятся привести российские стандарты под общий знаменатель с международными.

Теперь остановимся на российской практике построения молниезащиты для различных объектов. У нас традиционно действует один важный принцип: любая защита имеет конечные показатели надёжности. Связано это с тем, что молния не всегда ведёт себя так, как это представлялось первым исследователям. Франклин был уверен, что она движется по самому короткому расстоянию до земли. Так случается часто, но не всегда. Например, есть зафиксированные на фотоснимках грозовые разряды, бьющие мимо Останкинской телебашни. Отклонения здесь составляют более 200 метров. Происходили подобные эксцессы и в лабораторных условиях. Так, в ходе эксперимента в Сибирском НИИ электроэнергетики длинная искра с высоковольтного генератора вместо того, чтобы ударить по кратчайшему пути в землю, решила отправиться на расстояние более 100 метров в проходящую поблизости опору ЛЭП.

Именно поэтому российские учёные и инженеры говорят о статистической методике проведения расчётов. То есть мы можем предсказывать вероятность события, причём всегда с определённой погрешностью. При этом статистически определяется не один параметр. Учёные оперируют вероятностными величинами при подсчёте ориентировки разряда в конкретном пространстве, а также при определении точки удара молнии по конкретному объекту. Для расчёта используются сложные формулы, в которые вносятся многочисленные данные об особенностях конкретного объекта: форма и высота громоотводов, высота самих защищаемых конструкций и т. д. А упомянутые выше два статистических параметра помогают определить рамки, в пределах которых могут колебаться разбросы траекторий. И установить эти рамки пока удаётся только с помощью статистики. Собирается она по всей стране в ходе наблюдения за громоотводами. Основной источник такой статистики – грозотросы. Это горизонтальные молниеотводы, которые защищают ЛЭП.

Статистика по данному вопросу собирается уже более полувека. И, несмотря на это, её пока нельзя назвать достаточной. Результатов мало. Кроме того, они собраны в основном для объектов высотой от 20 до 40 метров, в то время как защищать приходится и более высокие конструкции. Именно поэтому максимально точная оценка уровня защиты у нас в стране согласно государственным стандартам составляет всего 0,999.

Несмотря на все свои недостатки, отечественная методика выглядит всё-таки более достоверной и полезной по сравнению с методом катящегося шара. Она не приводит к различным абсурдным выводам и неувязкам, о которых мы говорили выше. Например, согласно ей, важно, чтобы громоотвод был обязательно выше защищаемого объекта, если мы хотим добиться показателей молниезащиты выше 0,5 (когда в объект, по статистике, попадает менее чем половина молний).

Для примера возьмём зону защиты, которую образует просчитанный по статистической методике громоотвод высотой 30 метров. Если нам нужна надёжность 0,9, тогда зона защиты будет начинаться на высоте на 15 процентов ниже, чем высота самого стержня. Для надёжности в 0,999 нужно уменьшить высоту защитной зоны ещё на 15 процентов. Кроме того, в российскую методику подсчётов отлично вписывается тот факт, что с увеличением высоты громоотвода повышается его эффективность.

В связи со сложностью российской системы подсчётов нужно упомянуть один неприятный момент, характерный для нерадивых отечественных инженеров по молниезащите. Они любят пользоваться стандартными схемами – типовыми громоотводами с заранее просчитанными защитными зонами. Типовые границы безопасности легко очерчиваются по нескольким элементарным формулам, приведённым в нормативных актах. Для упрощения расчётов даже имеются специальные программы, в которые нужно просто вставить несколько цифр. Вы вписываете данные, а затем смотрите, помещаются ли защищаемые конструкции в автоматически нарисованную зону. Всё просто, быстро, не требует опыта. Но здесь есть свои нюансы.

Дело в том, что не для всех объектов типовое решение возможно в принципе. К тому же для целого ряда случаев полученный по таким типовым формулам проект будет избыточным, то есть потребует необоснованных трат. Конструкции внутри зоны защиты имеют неправильную форму, как правило, располагаются в удалении от её границ. В результате надёжность молниезащиты повышается, только проектировщик не может точно сказать, насколько именно.

Ещё одна серьёзная проблема для таких стандартных решений заключается в том, что они работают только с молниеотводами одного типа и одной высоты. Соответственно, значительно снижается количество инструментов и ходов, которыми можно пользоваться на объекте для защиты от молнии.

Приведём пример с автоматическим расчётом громоотводов по одной из скачанных из Интернета программ. Он покажет, насколько значительными могут быть лишние траты.

Защищать мы будем большую цистерну высотой 20 метров и диаметром 60 метров. Согласно техническим рекомендациям, нельзя располагать громоотвод на расстоянии ближе, чем 3 метров к такому резервуару. Если мы будем ставить здесь один большой молниеотвод, нам потребуется конструкция общей высотой около 100 метров. А это уже очень сложно и дорого. Если же мы просчитаем установку 4 молниеотводов по 28 метров, то увидим, что эффективность их защиты будет не меньше. При этом монтаж обойдётся значительно дешевле, поскольку такие молниеотводы являются типовыми. Отказавшись от сложной высотной конструкции, мы экономим без потери качества молниезащиты.

Более того, в данном случае мы значительно снижаем риск происшествий, связанных с электромагнитными наводками при попадании разряда в громоотвод. Вы уже знаете, что чем выше объект, тем больше риск, что в него попадёт молния. Для мачт и прочих конструкций с малой площадью сечения эта зависимость квадратичная. То есть один большой молниеотвод высотой более 100 метров притянет в десять раз больше разрядов, чем четыре по 28 метров. И всё это можно учесть, только если расчёты проводит не программа, а опытный инженер.

Подводя итог, отметим, что сегодня вопрос молниезащиты стоит особенно остро. Современное оборудование не терпит перепадов напряжения, электромагнитных возмущений. А это значит, что громоотводы нужно монтировать как можно дальше от защищаемых объектов. Только в этом случае можно снизить риск электромагнитных повреждений дорогостоящей электроники. При этом вопрос точного проектирования громоотводов даже для простых объектов пока полностью не закрыт. Его ещё предстоит решить. Однако уже сейчас существуют методики, которые позволяют получать пусть и не стопроцентно точные, но приближающиеся к этому результаты.