УДК 621.316.98
Рыбаков Л. М., Ласточкин С. В., Иванов А. В. Игнатьев А.Н.
ФГБОУ ВПО «Марийский
государственный университет», г. Йошкар-Ола
исследование эффективной системы Молниезащиты
объектов в сельской местности на примере Республики
Марий эл.
Аннотация. Выполнена обработка
многолетних данных интенсивности грозовой деятельности по РМЭ на основе
наблюдений Марийского
республиканского центра по гидрометеорологии. Выполнен анализ поражений
молнией зданий и сооружений, расположенных в сельской местности РМЭ. Приведены
результаты экспериментальных исследований, в лабораторных условиях по
определению радиуса стягивания лидера молнии на поражаемую поверхность в
сельской местности от различных воздействующих факторов (влажность, скорость
ветра). Полученные результаты
показывают зависимость высоты ориентировки лидера молнии (Н) по отношению к
высоте защищаемого объекта (h) от 3h до 7h при моделировании
интенсивности дождя от 1 до 3 мм/мин.
Ключевые слова: лидер молнии, планирования
эксперимента, влияющие факторы, интенсивность грозовой деятельности.
I Введение
Гроза
- одно из самых интересных, распространенных и постоянно изучаемых явлений
природы на нашей планете Земля. Одновременно на поверхности земли происходит
около 2000 гроз, это почти 100 ударов молнии в секунду. Интенсивность грозовой
деятельности в данной местности характеризуется числом грозовых часов в году,
которое составляет на территории России от 10 и более 100 часов.
В
результате прямого попадания разряда молнии в здание и сооружение возникает серьезная
угроза поражения электрическим током людей и домашних животных, возгорания,
оплавления различных материалов, расщепления древесины и разрушение с
образованием трещин в бетоне и кирпиче. Однако, даже в случае непрямого
попадания в здание разряда молнии, волна перенапряжения может распространяться
по коммуникациям на многие километры, что может впоследствии привести к
мгновенному отказу дорогостоящего оборудования. Поражение зданий молнией
приводит к значительным ущербам и эти
обстоятельства требует принятия мер по обеспечению безопасности данных зданий и
сооружений, особенное это характерно для сельской местности.
Согласно ПУЭ[1] РМЭ отнесена к области с числом
разрядов молний в год от 40 до 80 часов. Обработка многолетних наблюдений за грозовой деятельностю
по данным Марийского республиканского центра по гидрометеорологии и мониторинга
окружающей среды в РМЭ показала,
что данные приведенные в ПУЭ не подтверждаются, это так же наблюдается ростом
случаев поражения объектов в сельской местности за последние 10 лет наблюдения.
II. Анализ грозовой деятельностью по
РМЭ
Республика Марий Эл расположена на
правобережной стороне Волги ,рисунок 1. Большая часть территории расположена ниже 100
метров над уровнем моря.
В Республике
Марий Эл насчитывается более 600 озер (причем свыше 200 из них являются
крупными) 476 больших и малых рек,
общая протяженностью 7000 км. Общая площадь водоемов составляет 75000 га.Территория
республики
Рисунок
1. Рельеф Республики Марий Эл.
отнесена к региону с числом грозовой
деятельности 40-80 часов, карта голзовой деятельности приведена на рисунке
2 [ПУЭ]. Однако данные обработки
наблюдений Марийского республиканского центра по гидрометеорологии и
мониторинга показали другие величины в сторону их роста до 170 часов, рисунок
3.
Рис 2. Карта интенсивности грозовой деятельности РФ.
Рисунок 3. Интенсивность грозовой деятельности по РМЭ, за период наблюдения
1951 по 2009год.
Начиная с 1980 года
наблюдается значительный рост поражаемости молнией обьектов расположенных в
сельской местности.. Это подтверждается данными МЧС по Республике Марий Эл, что
примерно в 10% случаев возгораний объектов в сельской местности происходит по
причине грозовых разрядов. На рисунках 4,5,6 приведены характерные случаи
возгораний обьектов пораженными токами молнии.
Рис 4. Результат поражения молнией
столярного цеха колхоза в поселке Шелангер Звениговского района, 2010г
Рис 5. Результат поражения
молнией частного дома в д. Мари-Китня Мари-Турекского района, 2010г
Рис
6.. Результат
поражения молнией частного дома в д. Большой Шаплак Медведевского района,
2011г.
Пдтверждением
поражения молнией обьектов даже экранированных высокими деревьями показано на
рисунках 7, 8. 9. Все пораженные обьекты были расположены на небольшом
расстоянии от водоемов. На наш взгляд объкты расположенные вблизи водоемов
имеют слабую грозоупорность и необходимы дополнительные исследования по
определению радиуса стягивания токов
молнии с учетом влажности воздуха вблизи защищаемых объектов.
Рис 7. Результат поражения дерева
в прибрежной зоне в Звениговском районе
2011г.
Рисунок 8–Результат
поражения дерева в деревне Турша, Медведевского района, расположенного вблизи
небольшого озера, 2010г.
Рисунок 9 –Результат
поражения молнией линии электропередачи 10 кВ
в Параньгинском районе,
расположенных вблизи водоема, 2009 г.
III. Экспериментальные исследования поражаемости
объектов от высоты ориентации лидера молнии
В РД
34.21.122-87 «Инструкция по устройству молниезащиты зданий и сооружений»
[2] приводится на основании
статистических данных поражаемости молнией наземных сооружений связь между
радиусом стягивания молнии R0 и высотой защищаемого
объекта h. Значение R0 рекомендуется принять
равную 3h. Приведенное
соотношение положено в основу формулы расчета ожидаемого количества поражений
молнией объектов с заданными габаритами.
В том же
источнике для небольших строений (например, жилых домов в сельской местности с
габаритами примерно 10 м) выполнение молниезащиты вообще не рекомендуется даже
при низкой огнестойкости здания. Эти утверждения теоретически и
экспериментально не подтверждены. Поэтому для проверки гипотезы приведенной в
литературе [2] о стягивании лидера молнии на наземные объекты при высоте лидера
3h и более, в
лаборатории техники высоких напряжений Марийского Государственного Университета
при помощи установки ГИН 800 кВ проведены экспериментальные исследования
методом электро-графического моделирования. Масштаб размеров домов в модели
уменьшен в 100 раз, аналогично высота ориентировки молнии так же уменьшена в
100 раз.
В качестве
объекта защиты используются четыре сельских дома, которые имеют высоту 7 м.
Длина, ширина и площадь домов равна 12см, 12см и 144
соответственно.
Крыши всех домов металлические.
В качестве воздействующего
фактора был принята увлажненность воздуха т.е интенсивность дождя и скорость ветра. Эксперименты проводились в
следующем порядке:
1. Без учета
воздействующих факторов.
2.
Интенсивность дождя, мм/мин (Х1).
3. Скорость
ветра, м/с (Х2).
Результаты
экспериментов приведены в таблице №2 и
представлены на рисунке 10.
Для указанного
расположения зданий без воздействующих факторов, при высоте ориентировки молнии
3h (21метр), здания не были поражены, а разряды происходили на
земную поверхность с максимальным радиусом 5 метров от контрольной точки. При
высоте ориентировки 6 метров были поражены дом № 1 и №4 и участок земной
поверхности между домами №1 и №2 с максимальным радиусом 14 метров.
Далее были
проведены эксперименты при высоте ориентировки лидера молнии 9h, при этом
поражены три дома №1, №2, №3.
Дальнейшие
эксперименты проводились с фактором увлажнения. При ориентировки лидера молнии
на высоте 3h, все разряды произошли на земную поверхность на расстоянии 7 метров от контрольной точки, а при
высоте 6h - 12,5 метров от контрольной точки. При высоте ориентировки 9h были
поражены дома №1, №2 и №4.
Расположение
защищаемых зданий и ориентация лидера молнии представлены на рисунке 10.
Таблица 1. Условия
планирования эксперимента
|
Уровень факторов и
интервалы варьирования |
Х1 |
Х2 |
|
мм/мин |
м/сек |
|
|
Нижний уровень |
1 |
2 |
|
Нулевой уровень |
2 |
4 |
|
Верхний уровень |
3 |
6 |
|
Интервал варьирования |
1 |
2 |
Рисунок 10 – Схема
проведения эксперимента по выявлению воздействующих факторов: 1, 2, 3, 4 –
макеты домов (объекты поражения); 5 – вентилятор; 6 – увлажнитель воздуха;
Высота
ориентация лидера молнии над поражаемым объектом составляет:
1 – 3h (21
см); 2 – 6h(42 см); 3 – 9h(63 см), где h –
высота защищаемого объекта(h=7 см)
Полученные результаты
планированного эксперимента приведены в таблице 2.
Таблица 2 – Результаты
планированного эксперимента
|
№ п/п |
Фактор |
Высота |
Максимальный радиус
поражения RX, м |
Место повреждения |
|
|
1 |
2 |
3 |
4 |
|
1 |
- |
3h |
5 |
Поверхность земли |
|
2 |
6h |
14 |
Поверхность земли, дом
№1,4 |
|
|
3 |
9h |
- |
дом №1, 2, 3 |
|
|
4 |
X1X2(V1, 1мм/мин) |
3h |
3 |
Поверхность земли |
|
5 |
X1X2(V2, 1мм/мин) |
4 |
Поверхность земли |
|
|
6 |
X1X2(V3, 1мм/мин) |
5 |
Поверхность земли |
|
|
7 |
X1X2(V1, 2мм/мин) |
3h |
4 |
Поверхность земли |
|
8 |
X1X2(V2, 2мм/мин) |
5 |
Поверхность земли |
|
|
9 |
X1X2(V3, 2мм/мин) |
5,5 |
Поверхность земли |
|
|
10 |
X1X2(V1, 3мм/мин) |
3h |
9 |
Поверхность земли |
|
11 |
X1X2(V2, 3мм/мин) |
12 |
Поверхность земли |
|
|
12 |
X1X2(V3, 3мм/мин) |
14 |
Поверхность земли |
|
|
13 |
X1X2(V1, 1мм/мин) |
6h |
4 |
Поверхность земли |
|
14 |
X1X2(V2, 1мм/мин) |
5 |
Поверхность земли |
|
|
15 |
X1X2(V3, 1мм/мин) |
6 |
Поверхность земли |
|
|
16 |
X1X2(V1, 2мм/мин) |
6h |
7 |
Поверхность земли |
|
17 |
X1X2(V2, 2мм/мин) |
9 |
Поверхность земли |
|
|
18 |
X1X2(V3, 2мм/мин) |
10 |
Поверхность земли |
|
|
19 |
X1X2(V1, 3мм/мин) |
6h |
13 |
Поверхность земли |
|
20 |
X1X2(V2, 3мм/мин) |
15 |
Поверхность земли |
|
|
21 |
X1X2(V3, 3мм/мин) |
17 |
Поверхность земли |
|
|
22 |
X1X2(V1, 1мм/мин) |
9h |
6 |
Поверхность земли |
|
№ п/п |
Фактор |
Максимальный радиус
поражения RX, м |
Место повреждения |
|
|
23 |
X1X2(V2, 1мм/мин) |
7 |
Поверхность земли |
|
|
24 |
X1X2(V3, 1мм/мин) |
8 |
Поверхность земли |
|
|
25 |
X1X2(V1, 2мм/мин) |
9h |
10 |
Поверхность земли |
|
26 |
X1X2(V2, 2мм/мин) |
11 |
Поверхность земли |
|
|
27 |
X1X2(V3, 2мм/мин) |
13 |
Поверхность земли |
|
|
28 |
X1X2(V1, 3мм/мин) |
9h |
21 |
дом №1, 4 |
|
29 |
X1X2(V2, 3мм/мин) |
21 |
дом №2 |
|
|
30 |
X1X2(V3, 3мм/мин) |
21 |
дом №3 |
Вывод
Анализ полученных результатов позволяет заключить, что при увеличении
высоты лидера с 3h до 9h и увлажнении крыш наблюдалось увеличение радиуса стягивания
лидера молнии и поражение домов.
Анализ
поражений объектов в сельской местности показал большую вероятность поражения
разрядом молнии домов расположенных вблизи водоемов.
Экспериментальные
исследования показали, что зависимость радиуса стягивания лидера молнии от
высоты ориентации лидера при увеличении высота лидера молнии до 9h
увеличивается вероятность поражения домов разрядами молнии не наблюдается при
высотах 3h и 6h.
Необходимы дельнейшие исследования по
установлению поражаемости молнии от воздействующих климатических факторов.
Список литературы:
1. Правила устройства
электроустановок.– 7-е изд., перераб. и доп.– М.: Главгосэнергонадзор России, 2003.
2. РД 34.21.122-87 «Инструкция по
устройству молниезащиты зданий и сооружений».
3. Кужекин И.П., Ларионов В.П.,
Прохоров Е.Н. Молния и молниезащита // Москва.; Знак, 2003
4. Активный молниеотвод [Электронный
ресурс]. – Режим доступа:
http:// http://www.uniprotect.ru/.
5. Активный молниеприемник [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://vbgcity.ru/oborudovanie/aktivnyy-molniepriemnik
6.
Мучник
В.М. Физика грозы / В.М. Мучник. – Л: Гидрометеоиздат, 1974. – 352 с.
7.
Базелян Э.М. Физические и инженерные основы молниезащиты /
Э.М. Базелян, Б.К. Горин, В.К.
Левитов. – Л.:
Гидрометеоиздат, 1978. – 223 с.
8. Определение поражаемости объекта
молнией / В.П. Ларионов, М.П.
Кокурин, А.Ю. Мосолов // Электричество.
– 1985. – №7. – С. 72-81.
9. Александров Г.Н. Об
ориентировке канала длинной искры /
Г.Н. Александров, В. О. Иванов, Э.М. Базелян // Электричество. –1973. – №3. – С.
63-66.
10. Базелян Э.М. Физика молнии и молниезащиты / Э.М. Базелян, Ю.П.
Райзер. – М.: Физматлит, 2001. – 320 с.
11. Юман М. Молния / М. Юман. – М.: Мир, 1972. – 328 с.
12. Карякин Р.Н. Справочник по
молниезащите / Р.Н. Карякин. – М.: Энергосервис, 2005. – 879 с.
13. Википедия - свободная энциклопедия. Активная молниезащита
[Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://ru.wikipedia.org/.