Принцип действия молниезащитной сетки

Использование молниеприёмных сеток допускается практически всеми известными нормативными документами по молниезащите. Сетка укладывается на кровле здания и, как правило, не выходит за ее внешние границы. Размеры ячеек сетки зависят от требуемой надежности защиты. В национальном нормативе по молниезащите РД 34.21.122-87 сетку с шагом 6 х 6 м2 допускается использовать для II категории защиты, а сетку с шагом 12 х 12 м2 - для III категории. Для объектов I категории сетка недопустима, поскольку норматив РД 34.21.122-87 требует здесь обязательного применения отдельно стоящих молниеотводов.
В “Инструкции по устройству молниезащиты зданий, сооружений и промышленных коммуникаций” 2003 г размеры сетки специально не оговорены, однако возможность ее применения следует из п. 3.2.1.1. В стандарте МЭК и в его положениях, приведённых в Инструкции 2003 г ( п. 3.3.3), утверждается возможность применения сеток для всех уровней защиты. При этом максимальные размеры сетки не должны превышать 5 х 5 м2 для I уровня, 10 х10 м2 для II и III уровней и 20 х 20 м2 для IV уровня.
Наиболее детально применение сетки регламентировано в отечественном нормативе РД 34.21.122-87. В частности, там утверждается (п. 2.11), что сетка должна быть : “уложена на кровлю сверху или под несгораемые или трудносгораемые утеплитель или гидроизоляцию”. Отталкиваясь именно от этого предписания, полезно начинать анализ.
Что такое сетка? Обычный тросовый молниеотвод. То, что тросов несколько и они пересекаются друг с другом ситуации принципиально не меняет. Как известно, любой молниеотвод надежно защищает какую-либо поверхность на расстоянии, сопоставимом с величиной превышения вершины молниеотвода над этой поверхностью. Если сетка уложена на железобетонной плите или поверх ее гидроизоляции, она возвышается над металлической арматурой плиты примерно на 10 см. Такого же порядка должна быть и ширина защищаемой поверхности вдоль проволок сетки. У составителей нормативов было, по-видимому, иное мнение. Требование располагать сетку поверх горючего покрытия крыши вряд ли можно оправдать чем-то иным, кроме убежденности, что сетка будет перехватывать почти все молнии, направляющиеся к поверхности кровли здания.
Статистическая методика расчета ожидаемого числа ударов молнии (см. публикацию «Зоны защиты молниеотводов.....») позволяет оценить эффективность молниеприёмной сетки количественно. В расчетных примерах использовались сетки 6 х 6 м2 и 12 х 12 м2, рекомендованные в России. Предполагалось, что обе они размещены на высоте 30 м над уровнем земли и полностью “закрывают” плоскость кровли здания. В первом случае его размеры в плане были равны 24 х 24 м2, во втором – 36 х 36 м2, - и то, и другое типично для жилищного строительства, где повсеместно применяется защита от прямых ударов молнии с помощью сетки. Высота здания варьировалась так, чтобы обеспечить различные превышения сетки над железобетонными или металлическими конструкциями кровли. На рис. 1 показано, как меняется вероятность прорыва молнии к поверхности кровли в зависимости от превышения сетки Dh.

Рис. 1

Первое следствие численного моделирования в достаточной мере прогнозируемо на основе даже качественных представлений об ориентировке молнии. При очень малых превышениях над проводящими элементами крыши у сетки нет преимуществ и лидер молнии не “чувствует” воздействия на себя со стороны ее электрического поля. При Dh < 1 м вероятность прорыва молнии к кровле мимо проволок сетки близка к 0,5. Иными словами, защитное действие сетки мало значимо в практическом отношении. Нельзя, например, ожидать, что сетка, уложенная на кровельное покрытие, надежно защитит его от контакта с высокотемпературным каналом молнии. Для этой цели сетку надо было поднимать над кровлей. Например, в разобранных примерах вероятность прорыва снижается до уровня ~ 0,1 и обеспечивается надежность защиты ~ 0,9 только в случае превышения сетки над кровлей примерно на 2 м, а для защиты с надежностью ~ 0,99 более чем 4 м. Если же сетку предполагается использовать для защиты металлических элементов оборудования под диэлектрической крышей, то они должны располагаться ниже крыши ( и, соответственно, сетки) примерно на таких же расстояниях.
Может вызвать удивление тот факт, что в разобранном примере размер ячеек сетки почти не повлиял на надежность защиты. В действительности это закономерно. Объект высотой h стягивает на себя разряды молнии, что проектируются непосредственно на его крышу, и находятся от стен на расстоянии меньшем, чем радиус стягивания Rст = 3h (рис. 2). Размер ячеек сетки естественно повлияет на распределение вертикальных молний между проволоками сетки и поверхностью кровли. Но боковые разряды, направляющиеся к кровле здания с площади стягивания шириной по Rст с каждой

Рис. 2

стороны от стен, будут распределяться между углом крыши и крайней проволокой сетки. Вся остальная площадь крыши, равно как и все другие ячейки сетки на это распределение почти не повлияют. Остается сравнить количество боковых и вертикальных молний, исходя из соответствующих площадей их сбора. Площадь квадратной крыши, принимающая вертикальные молнии, в примере с сеткой 6 х 6 м2 равнялась Sкр = а2 = 576 м2 ( а – длина стены здания). Площадь стягивания за вычетом площади самого здания и скруглений на углах оценивается как Sбок (6h +a)2 –(4 - p)9h2 – a2 » 34100 м2 . Значит вертикальных разрядов в кровлю будет примерно в Sбок/Sкр » 60 раз меньше чем боковых. И только на эту малую часть молний повлияет частота ячеек сетки. Эффект оказывается пренебрежимо слабым!
Теперь нетрудно представить условия, при которых размер ячеек сетки все-таки становится значимым. Такое произойдет, когда площадь крыши здания станет сопоставимой с остальной частью площади стягивания. Для этого высота здания должна быть много меньше его других габаритных размеров. Расчетные данные на рис. 3

Рис. 3

подтверждают сказанное. Расчет выполнен для складского помещения 100 х 100 м2 высотой 10 м. Использовалась сетка с европейскими размерами ячеек 10х10 и 20х20 м2. Сокращение размеров ячеек сетки здесь уже заметно снижает вероятность прорыва молнии к проводящей кровли, хотя и не более чем вдвое. Главный же результат анализа эффективности сетки остается без изменения. При малых превышениях сетка не в состоянии защитить сколько-нибудь надежно поверхность кровли.
Время обратиться к опыту эксплуатации. Молниеприёмные сетки очень широко применяются в нашей стране и особых неприятностей от них не наблюдалось. Причин, которые могут маскировать низкую эффективность сетки, несколько.
Во-первых, в условиях городской застройки, где массово используются сетки, фактическая частота ударов молнии заметно меньше рассчитанной по площади стягивания. Причина в том, что площади стягивания близко размещенных домов в значительной степени накладываются друг на друга.
Во-вторых, удар молнии в гидроизоляционное покрытие на железобетонной плите вряд ли можно зафиксировать иначе, как по повреждению этого покрытия. Скорее всего, большинство молний, прорвавшихся к крыше, остается незамеченными.
Существует и еще один существенный эффект, который в состоянии компенсировать недостаток защитного действия уложенной на проводящей конструкции кровли сетки. Речь идет о металлическом ограждении. Поднятое на высоту 0,5 – 1,0 м, оно выполняет функцию замкнутого тросового молниеотвода. Для зданий типовой застройки высотой около 15 м этого достаточно, чтобы дополнительно снизить вероятность прорыва молнии к крыше в 5 – 10 раз.
На фоне сказанного закономерен вопрос о целесообразности применения молниеприёмных сеток. Как средство защиты от прорывов молнии к поверхности кровли с несущими металлическими и железобетонными конструкциями сетку трудно признать эффективной. Когда же высота здания больше других габаритных размеров, ее правильнее считать бесполезной.
И все-таки призывать к демонтажу сеток и отказу от их использования в новых проектах было бы неосмотрительно. Проложенные над кровельным покрытием проводники сетки обеспечивают простое и удобное заземление металлических конструктивных элементов, размещаемых на крыше, а также способствуют уравниванию потенциалов. Не менее важно, что связывая между собой токоотводы, проложенные по стенам здания, проводники сетки выравнивают распределение тока молнии между токоотводами. Это обеспечивает максимальное экранирование внутреннего объема здания от воздействия магнитного поля тока молнии и способствует более благоприятному решению проблемы электромагнитной совместимости.