Стоит ли заниматься молниезащитой?

Из цикла статей "Молниезащита для новичков".

Такой вопрос закономерно возникает не только у г. Плюшкина, но у любого здравого собственника, когда он с гордостью осматривает только что построенный коттедж, новое складское помещение, здание торгового центра или уже введенный в работу производственный цех. Вопрос не праздный. Молниезащита стоит денег, в ряде случаев не малых, а грозы в наших местах не так уж часты, длятся они час, два от силы, да и большинство молний вспыхивает между облаками, а не устремляется к земле. Рядом стоят давно построенные дома. Никаких молниеотводов на них не видно. Все там цело и никто не жалуется.

С этого, пожалуй, и надо начинать. Молниеотводов действительно не видно, но кто сказал, что здания не защищены от молнии? Молниезащита – это не только и даже не столько установка молниеотводов. Чтобы защититься от молнии сегодня, приходится создавать целый арсенал защитных средств, потому что молния очень изобретательна в выборе оружия и предпочитает обходные маневры лобовой атаке.

России повезло с местом расположения. Целиком находясь в умеренных широтах, она не знает тропических гроз. Тем не менее, на каждый квадратный километр территории страны в среднем приходится 3 – 4 удара молнии в год. Редкий коттедж занимает на земле больше 250 м². На такую площадь в средней полосе России по статистике приходится всего
N = 250:1000000×4 = 0,001 молнии в год. Это означает, что построенное здание должно простоять в среднем T ≈ 1/N = 1000 лет, прежде чем в него ударит молния.

Нетерпеливый человек может прекратить чтение, решив, что столь редкое событие не заслуживает внимания. Специалист же сразу укажет на грубую ошибку, заметив, что в оценке не учтено главное – высота сооружения. Он скажет, что любой объект, возвышающийся над поверхностью земли, притягивает к себе разряды молнии с расстояния около трех своих высот h. Этот факт проверен очень многими экспериментами и не вызывает сомнений. Чтобы получить площадь, с которой стягиваются молнии, вдоль внешнего периметра вашего сооружения надо провести линию, отстоящую от него на
R_ст = 3h. Площадь внутри очерченной таким образом границы и будет площадью стягивания молний S_ст. Читатель может вычислить ее любым способом, хоть по клеточкам на линованной бумаге. Для здания длиной L и шириной D вполне годится элементарная, хотя и несколько завышенная оценка по школьной формуле для площади прямоугольника

В уже рассматриваемом примере с коттеджем площадью 250 м², для которого L = 15 м и D = 10 м при высоте h = 10 м получается S_ст = 5250 м² – в 21 раз больше фактической площади. Соответственно увеличивается и вероятность удара молнии. Фактически его следует ожидать в среднем примерно через каждые 50 лет. Это уже вполне значимое время, сопоставимое с человеческой жизнью, тем более, что статистика не поясняет, когда конкретно в полувековой интервал произойдет предсказанное прямое попадание.

С высотой объекта частота ударов молнии в него стремительно нарастает. Стометровая осветительная мачта большого стадиона будет встречаться с молнией почти ежегодно. Строителям придется заранее побеспокоиться о безопасном отводе в землю ее тока. Иначе известный случай поражения сразу нескольких игроков на футбольном поле превратится в систему.

Теперь самое время познакомиться с молнией поближе. С ее прямым ударом все более или менее ясно. Плазменный канал температурой около 30 000 C не оставляет надежд на благополучный исход. Он в состоянии прожечь металлическую кровлю толщиной до 4 мм, воспламенить практически любой горючий материал. Механические разрушения от молнии не столь значительны. Как правило, к ним приводит очень быстрое испарение влаги или генерация газов при разложении пластических материалов по пути следования тока молнии. Классический пример тому длинные и широкие полосы коры, что срывает молния при ударе в дерево. Примерно так же .могут пострадать композиционные материалы, столь популярные сегодня. К счастью, они не так часто применяются в градостроительстве.

Главное же орудие молнии – ее электромагнитное поле. У молнии средней силы ток близок к 30 000 А, для предельно мощной он в 6 - 7 раз больше. Почувствуйте эту величину, сопоставив ее с током мощного домашнего утюга (10 А) или промышленного сварочного аппарата (100 А). Это совсем другие масштабы. Длительность импульса тока молнии редко превышает 0,0001 с (в молниезащите секунда – слишком большое время, там пользуются микросекундами, мкс). За 100 мкс много тепла не выделится, поэтому для отвода тока молнии в землю используются проводники вполне умеренного диаметра ( ~ 1см). Куда более важен другой временной параметр – время роста тока до амплитудного значения. Здесь молния безусловный рекордсмен, потому что ее ток может нарастать во времени со скоростью 200 000 000 000 А/с. В нашем быту нет явлений, которые можно было бы использовать для зримого представления столь фантастической величины.

Для себя я придумал следующее. Представьте человека на расстоянии 10 м от молниеотвода (промежутки такого рода часто фигурируют в нормативах по молниезащите едва ли как безопасные). Его поднятые руки образуют контур площадью 1 м². В таком контуре молния с предельной скоростью роста своего тока наводит ЭДС магнитной индукции в 4000 В. Напряжение в сети вашего дома почти в 20 раз меньше, тем не менее, не пытайтесь для сопоставления оценить на себе его воздействие, сунув в розетку пару гвоздиков. Двадцатикратного перенапряжения бытовые приборы не выдержат. Что ж тогда говорить о низковольтных устройствах – компьютерах, плеерах, датчиках пожарной сигнализации, аппаратуре охраны периметра, телевизионных усилителях. В современном жилище немало дорогостоящих устройств, которые могут стать легкой добычей молнии.

Ваш дом – ваша крепость. Так говорят англичане. Наиболее уязвимым местом этой крепости закономерно считают воздушную линию электропередачи 220/380 В, что поставляет вам электроэнергию. Вместе с ней в дом проникают грозовые перенапряжения. Если не считать больших городов, электроснабжение в нашей стране все еще осуществляется по воздушным линиям обычного исполнения. Ее провода подвешиваются на столбах-опорах на расстоянии 40 – 50 см друг от друга, чтобы исключить схлестывание при ветре. Протянувшись от подстанции до вашего дома на 200 – 300 м, такие провода образуют контур очень солидной площади. Даже совсем неблизкая молния наводит в нем своим магнитным полем опасное напряжение. Несколько лет назад у меня была возможность убедиться в эффективности дистанционной молниевой атаки. Удар молнии в землю произошел на расстоянии 200 -300 м от моего одноэтажного дома. На это указала короткая (~ 1 с) задержка между вспышкой и раскатом грома. Сам я остался без антенного усилителя. В соседних домах вышли из строя телевизоры, музыкальные центры СВЧ-печки и другое далеко не самое дешевое оборудование. Согласитесь, молниевый разряд в радиусе 200 -300 м от дома маловероятным событием не назовешь. Лучше не рисковать и позаботиться о средствах защиты.

Мой сосед, завершающий строительство нового дома, пришел посоветоваться об его молниезащитном обустройстве. Я сказал, что он сильно опоздал с началом работ. Средства молниезащиты должны выбираться еще в проекте. Только тогда они окажутся не слишком дорогими и предельно эффективными. Дело в том, что специалисты умеют совмещать многие элементы молниезащиты со строительными конструкциями сооружения. Естественно, что такое надо предусматривать заранее.

Опасность молнии не стоит преувеличивать, подобно тому, как это делают телевизионные комментаторы, демонстрируя кадры-страшилки и снабжая своих зрителей бесполезными, а иной раз и просто вредными советами. Но еще опаснее этой опасностью пренебрегать. Человеку разумному стоит обратиться к специалисту, чтобы трезво оценить возможные аварийные последствия и предусмотреть средства защиты от них.

Э. М. Базелян, д.т.н., профессор
Энергетический институт имени Г.М. Кржижановского, г. Москва

Надеемся, что в дальнейшем этот сайт выполнит роль элементарного учебника по самообороне от молнии. Мы планируем постоянно размещать здесь статьи о реальных опасностях грозового электричества и современных средствах молниезащиты. Они призваны помочь разобраться в существе проблемы и оценить доступные вам пути ее решения.