Розрахунок зони захисту громовідводу: методи й приклад

Три методи визначення зони захисту

• метод сфери, що котиться — універсальний, застосовний для об’єктів будь-якої форми: уявну сферу заданого радіуса «прокочують» по об’єкту та блискавкоприймачах; захищена зона — там, куди сфера не може торкнутися;
• метод захисного кута — простий спосіб для будівель нескладної форми й обмеженої висоти: зона захисту — конус із вершиною на блискавкоприймачі під заданим кутом до вертикалі (кут зменшується зі збільшенням висоти, а сам метод діє лише до 20–60 м залежно від класу);
• метод сітки — для захисту плоских поверхонь (наприклад, дахів великої площі): по поверхні прокладають сітку провідників із заданим кроком чарунки.

Параметри за класами системи блискавкозахисту

Клас системи блискавкозахисту (I–IV) обирають за результатом оцінки ризику (ДСТУ EN 62305-2) — I відповідає найвищому рівню захисту, IV — найнижчому. Радіус сфери й розмір чарунки — з табл. 2 ДСТУ EN 62305-3:2021 (п. 5.2.2), це найбільші допустимі значення. Межа висоти для методу кута — з рис. 1 того самого стандарту:

Для захисного кута табл. 2 лише відсилає до рис. 1; кути й межу висоти див. нижче, у розділі «Метод захисного кута: до якої висоти він діє».

Приклад: зона захисту одиночного стрижневого блискавкоприймача

Для одиночного вертикального стрижня заввишки h (менше радіуса сфери r) на рівній ділянці радіус захисту на рівні землі за методом сфери, що котиться, визначають за формулою R = √(h × (2r − h)).

Приклад: стрижень висотою 6 м, клас III (радіус сфери 45 м): R = √(6 × (2×45 − 6)) = √(6 × 84) = √504 ≈ 22,4 м.

Кілька блискавкоприймачів: спільна зона захисту

Зони двох і більше стрижнів можуть накладатися. Метод сфери, що котиться, показує, чи може сфера торкнутися об’єкта між сусідніми блискавкоприймачами: якщо може, між ними лишається незахищена ділянка й потрібен ще один стрижень. Формули для двох стрижнів однакової висоти — нижче, у розділі «Два стрижні однакової висоти: найбільша відстань між ними».

Що потрібно для розрахунку вашого об’єкта

Надішліть тип і розміри об’єкта, що захищається, наявність поруч інших споруд і обладнання, результати оцінки ризику (клас системи блискавкозахисту), якщо вона вже виконана. Ми запропонуємо конструкцію громовідводу — окремо розташованого чи комбінованого з опорою освітлення або вежею зв’язку.

Приклад: сітка для плоского даху

Розмір чарунки в стандарті — найбільший допустимий, тому кількість чарунок округлюють угору. Для плоского прямокутного даху 60 × 30 м і класу системи блискавкозахисту III (чарунка 15×15 м): 4 × 2 чарунки (4 вздовж сторони 60 м, 2 вздовж сторони 30 м), довжина провідників (2 + 1) × 60 + (4 + 1) × 30 = 330 м. Крайні провідники йдуть по краях даху, тому в кожному напрямку їх на один більше, ніж чарунок. Це довжина лише самої сітки, без струмовідводів і запасу на з’єднання. За всіма класами:

Клас IV: 30 ÷ 20 = 1,5, тому беруть 2 чарунки по 15 м. Для цього даху клас I потребує провідника в 2,7 раза більше, ніж клас IV.

Чек-лист і типові помилки

• клас системи блискавкозахисту визначають за оцінкою ризику згідно з ДСТУ EN 62305-2 (див. норми блискавкозахисту);
• кількість чарунок округлюють угору, інакше розмір чарунки перевищить допустимий;
• за ухилу даху понад 1/10 провідник прокладають і по коньку; замість сітки можна покласти паралельні провідники з кроком не більшим за чарунку;
• умова застосування сітки (додаток A, п. A.3 стандарту): струм блискавки завжди має йти до заземлення щонайменше двома різними металевими шляхами.

Радіус захисту за класами: стрижні 8–15 м

Формулу R = √(h × (2r − h)) зручно звести в таблицю. Це радіус захисту на рівні землі для одиночного стрижня; на висоті об’єкта зона вужча — як її порахувати, описано в статті Блискавкозахист щогл і веж.

Радіус у метрах на рівні землі. Формула діє, поки висота стрижня не перевищує радіус сфери r для класу.

Яка висота стрижня потрібна, щоб захистити об’єкт на відстані

Обернена задача: об’єкт заввишки hx стоїть на відстані x від стрижня. За методом сфери він захищений, якщо x ≤ √(h × (2r − h)) − √(hx × (2r − hx)). Звідси висота стрижня: h = r − √(r² − (x + √(hx × (2r − hx)))²).

Приклад: клас III (r = 45 м), об’єкт заввишки 5 м на відстані 12 м. √(5 × 85) ≈ 20,6; 12 + 20,6 = 32,6; h = 45 − √(2 025 − 1 063) ≈ 45 − 31,0 = 14,0 м. Результат округлюють угору. Для об’єкта заввишки 5 м це виглядає так:

Висота стрижня в метрах. Прочерк означає, що радіуса сфери не вистачає й одним стрижнем об’єкт не накрити. Для класу I за цих умов одного стрижня замало навіть на відстані 8 м.

Два стрижні однакової висоти: найбільша відстань між ними

Сфера, що спирається на верхівки двох стрижнів, провисає між ними на p = r − √(r² − (d/2)²) (формула E.2 довідкового додатка E), де d — відстань між стрижнями (не більша за 2r). Приклад із таблицею провисання для двох щогл є в статті Блискавкозахист щогл і веж.

Об’єкт між стрижнями захищений, якщо він нижчий за h − p. Звідси за нашим виведенням найбільша відстань для об’єкта заввишки hx: з p = h − hx виходить d = 2 × √(p × (2r − p)). Для класу III (r = 45 м) і стрижнів по 10 м: об’єкт 4 м — p = 6 м і d = 2 × √(6 × 84) ≈ 44,9 м; об’єкт 6 м — d ≈ 37,1 м. Це перевірка вздовж лінії між стрижнями, а бічні межі зони дає повний розрахунок.

Для трьох чи чотирьох стрижнів формула та сама; для чотирьох у кутах квадрата d — діагональ квадрата (рис. E.20 довідкового додатка E).

Метод захисного кута: до якої висоти він діє

За ДСТУ EN 62305-3:2021 (п. 5.2.2, табл. 2, рис. 1) метод кута обмежений висотою. Криві рис. 1 для класів I–IV закінчуються приблизно на 20, 30, 45 і 60 м, як радіуси сфери в табл. 2; вище метод не придатний. Примітка 1 до рис. 1 залишає за цією межею лише сферу, що котиться, і сітку. Сітку стандарт визнає прийнятною для плоских поверхонь, тож, на наш погляд, для окремої щогли лишається сфера, що котиться.

Висоту h відлічують від базової площини захищуваної ділянки, тобто від поверхні, яку захищають: для окремої щогли це верхівка над землею; для щогли на даху — висота над дахом, коли захищають дах, і над землею, коли захищають землю біля будівлі (рис. A.2 обов’язкового додатка A, рис. E.12 довідкового додатка E).

Кут стандарт дає лише графіком (рис. 1), без таблиці. До висоти 2 м він не змінюється (приблизно від 70° для класу I до 79° для класу IV), далі спадає приблизно до 23° на межі висоти в усіх чотирьох класах. Це грубе зчитування з графіка: точний кут для проєкту беруть із рис. 1 офіційного тексту. За власним розрахунком (R = h × tg α, де R — радіус захисту на землі) на межі висоти для класу II (30 м) щогла з кутом 23° має радіус захисту близько 13 м, а за методом сфери, що котиться, — 30 м.