Принципы и виды молниезащиты

Размещено на http://www.allbest.ru/

1

1. ОСНОВЫ МОЛНИЕЗАЩИТЫ

молния электрический заземленный защита

Pиc. 1. Причудливость траектории молнии

В последние десятилетия специалисты по молниезащите были вынуждены пересмотреть свое отношение к молнии. Еще недавно считалось, что главную опасность представляет ее высокотемпературный канал, контакт с которым приводит к взрывам и пожарам. Сегодня наиболее сильным оружием грозового электричества заслуженно считают электромагнитное поле. При ударе в землю или в наземный объект скорость роста тока молнии способна превысить 1011 А/с [1], вызывая в ближней зоне быстро меняющееся магнитное поле. ЭДС, которую оно наводит, становится причиной повреждения электрических цепей самого разного напряжения, но особенно сильно страдают низковольтные коммуникации микропроцессорной техники, цепи управления и автоматики.

Впрочем, дистанционное воздействие электромагнитного поля может стать и причиной взрыва сооружения, заполненного взрывоопасной газовой или пылевой смесью. К этому приведет все та же ЭДС магнитной индукции. При скорости роста тока молнии dим/dt ? 1011 А/с наведенное напряжение в контуре площадью S ? 1 м?, оцениваемое как

составляет около 2 кВ, даже если контур находится на расстоянии ~10 м от молниевого канала, что считается допустимым по требованиям ПУЭ [2] и норматива РД 34.21.122-87 [3] для отдельно стоящих молниеотводов. Искра от такого напряжения в случайном малом зазоре будет несопоставимо эффективнее бытовой пьезозажигалки и спровоцирует взрыв.

Pиc. 2. Усредненная траектория длинной искры в симметричном промежутке

Вполне ясно, что молниеотвод на крыше защищаемого объекта или в непосредственной близости от него не спасет от воздействия электромагнитного поля молнии. Перехваченная близко стоящим молниеотводом, она практически не изменит своего электромагнитного поля. Вот почему специалисты стремятся увеличивать радиус действия молниеотводов и размещать их на возможно более далеком расстоянии от защищаемого сооружения. При традиционном исполнении это дается дорогой ценой. Даже на уровне земли радиус зоны защиты R0 сопоставим с высотой молниеотвода h, причем отношение R0/h тем меньше, чем выше молниеотвод [4]. Использование высотных башен в качестве молниеотводов вряд ли можно назвать конструктивным решением, а иного способа увеличения зоны защиты наукой не предлагалось.

Сказанного достаточно, чтобы оправдать попытки увеличения эффективности действия молниеотводов нетрадиционными методами. Ниже будут рассмотрены возможные механизмы воздействия на траекторию молнию и перспективы их использования в молниезащите.

2. ПРОЦЕСС ОРИЕНТИРОВКИ МОЛНИИ

Pиc. 4. Встречный лидер от заземленного электрода в лабораторном промежутке

Их изобрели во Франции почти в середине прошлого века. Идея показалась более чем соблазнительной -- разместить на вершине молниеотвода капсулу с радиоактивным веществом. Его излучение ионизует воздух в окрестности капсулы, что стимулирует электрический разряд. Приходится удивляться, что подобная идея родилась в стране, где в самом начале 20-го века проводили серьезные эксперименты по оценке влияния радиоактивности на развитие длинной искры. Эффект оказался нулевым но, как видим, хорошо забытым. Радиоактивные молниеотводы увидели свет, хотя и выпускались очень недолго.

Легко объяснить причину неудачи. Мощного источника излучения на молниеотводе не разместить -- пострадают люди, а слабый источник ионизации у вершины молниеотвода существует и без радиоактивной насадки. Воздух там ионизуется благодаря короне. Она возникает в грозовой обстановке под действием электрического поля грозового облака. У земли заряд грозовой ячейки может поднять поле до E0 = 10 - 20 кВ/м. На молниеотводе типичной высоты h = 10 - 20 м набирается напряжение U = E0?h = 100 - 400 кВ. Электростатическое поле вытесняется из металлического стержня и сосредотачивается у его вершины малого радиуса r0, где напряженностьE(r0) ? U/r0 = E0?h/r0 легко превышает порог ионизации воздуха, близкий кEcor = 3000 кВ/м. Проку от такого разряда мало. Проводящего плазменного канала он не рождает. Все ограничивается только тонкой зоной ионизации миллиметровой длины, что окружает вершину. Ничего принципиально более мощного радиоактивная капсула к этому добавить не может.

Проверка в лаборатории показала, что даже не слишком длинная искра в 5 - 6 м не реагирует на радиоактивное излучение из заземленного электрода. Ситуация с молнией еще более безнадежная.

Можно ли управлять стартом встречного лидера?

Ответ на этот вопрос необходим, чтобы трезво оценивать перспективы создания активных молниеотводов различного исполнения. В научном отношении поставленная задача достаточно сложна. Даже качественный ее анализ требует определенных представлений о механизме искрового разряда. Полагаем, все здесь изложенное будет полезно специалисту по практической молниезащите, вооружит его знаниями для количественной оценки эффективности молниеотводов, предлагаемых на современном рынке. Тем не менее, при острой нехватке времени этот раздел можно пропустить, ограничившись знакомством с его основными заключениями.

Pиc. 5. Стримерная вспышка от заземленного электрода

Не вызывает сомнения, что любая форма электрического разряда в газе изменяет свои характеристики в зависимости от напряжения на промежутке, структуры электрического поля, температуры и состава газовой среды, а потому все они доступны для управляющих воздействий. В этом отношении встречный лидер исключением не является. Вопрос здесь не в принципе, а в материальных затратах на создание систем активного управления. Система обязательно должна быть надежной, дешевой и эффективной -- только тогда она будет реально внедрена в молниезащиту. Дешевизна же непосредственно связана с требуемым уровнем управляющих воздействий, которые должны быть возможно более слабыми. Это значит, что точкой приложения сил должен стать только что зарождающийся встречный лидер, пока он не сформировал собственное сильное электрическое поле, с которым трудно конкурировать.

Известно, что плазменный высоко проводящий канал лидера может прорастать от вершины молниеотвода только в том случае, когда газ в канале нагрет до высокой температуры [6]. Окажись воздух холодным, электроны, рожденные в сильном поле у головки канала, за время порядка 1 мкс прилипли бы к молекулам кислорода и воды, образовав малоподвижные отрицательные ионы и снизив тем самым проводимость плазмы примерно на 3 порядка величины. Только при газовой температуре около 5000 К и выше электроны могут существовать практически неограниченно долго (во временном масштабе молнии ~ 1 мс), обеспечивая рост встречного лидера. Слабой по мощности короне неоткуда взять энергию для столь интенсивного нагрева. На это способна только стримерная вспышка.

В лабораторном эксперименте видно, как при определенном токе короны электрический разряд резко меняет свою форму. Вместо тонкой зоны ионизации, «прилепившейся» к вершине электрода, от него стартует ветвь из многих светящихся каналов длиной порядка метров (рис. 5). Это стримеры. Каждый из них представляет собой след волны ионизации, которая может двигаться от электрода со скоростью вплоть до 109 см/с. Стримеры хорошо ионизованы. Начальная плотность электронов в их каналах достигает 1014 см-3 [5,6]. К сожалению, она очень быстро падает, потому что воздух в стримере остается холодным. Каждый стример в отдельности не в состоянии нагреть самое себя. Зато вся совокупность стримеров объединенным током стримерной ветви разогревает ее основание. Здесь в так называемом стебле и может зародиться встречный лидер. Условия его рождения известны.

Pиc. 6. Ток короны от вершины молниеотвода высотой 100 м, радиус вершины -- 2 см. Поле грозового облака линейно нарастает до 20 кВ/м за 10 с

Во-первых, ток короны должен превысить некоторое критическое значение порядка 10 мА, при котором рождается стримерная вспышка [7]. В медленно (за десятки секунд) нарастающем поле грозового такое исключено даже при очень большой высоте молниеотвода. Для иллюстрации на рис. 6 по результатам компьютерного моделирования показана динамика изменения тока короны от стержневого молниеотвода высотой 100 м в грозовом электрическом поле, линейно нарастающем до 20 кВ/м за 10 с. Видно, что даже для такого высотного сооружения ток короны примерно в 20 раз меньше критического.

Ситуация меняется принципиально, когда на поле грозового облака накладывается поле заряда приближающегося лидера нисходящей молнии. Последнее быстро нарастает, потому что полет молнии от облака до земли занимает всего 15 - 20 мс. Корона реагирует на быстрое изменение поля интенсивным ростом своего тока. Из расчетных данных на рис. 7 видно, как это происходит при типичной скорости движения лидера нисходящей молнии 2?105 м/с. Предполагалось, что молния стартовала на высоте 3000 м и ее лидер опускался вертикально с боковым смещением 300 м относительно оси стержневого молниеотвода. Примерно через 11,8 мс после старта ток короны вырос до 10 мА и приблизился к критическому, при котором возможен старт встречного лидера. При этом электрическое поле у земли выросло всего в 1,5 раза. Значит, действующим фактором оказалась не только величина напряженности поля атмосферы E0, но и скорость ее роста E0/dt.

Pиc. 7. Рост коронного тока от вершины молниеотвода во время развития лидер нисходящей молнии.

Параметры молниеотвода те же, что указаны на рис. 6. Лидер молнии стартовал на высоте 3000 м с радиальным смещением 300 м; скорость лидера -- 2?105 м/с, погонный заряд-- 0,5 мКл/м

Последнее заключение представляется очень соблазнительным. Действительно, лидер молнии, «работая» в миллисекундном диапазоне, довел ток короны до критического значения усилением поля в атмосфере всего на ДE0 ? 10 кВ/м, затратив на это напряжение ДU0 = ДE0?h ? 1000 кВ, распределенное на длине молниеотвода h. Теория говорит, что у нестационарной короны в электрическом поле атмосферы коронный ток пропорционаленE0(dE0/dt)?. Значит, без потери эффекта можно ослабить управляющее воздействие, скажем в 50 раз (20 кВ вместо 1000 кВ), если увеличить скорость его нарастания в 50? = 2500 раз. С этой целью на вершину молниеотвода надо подать управляющий импульс напряжения ~ 20 кВ с фронтом микросекундной длительности. Подобное устройство легко реализуемо на современной элементной базе и потому перевод разряда на вершине молниеотвода в стримерную форму не создает проблем. Иное дело -- зарождение встречного лидера. Далеко не каждая стримерная вспышка способна родить лидер в объеме своего стебля. Для этого требуется вполне определенный вклад энергии. Эксперименты в лаборатории подтверждают теоретическую оценку, согласно которой для зарождения лидера требуется стримерная вспышка с длиной ветвей ~ 1 м. Если грозовое облако заряжено отрицательно, а встречный разряд от заземленного электрода соответственно положительный (так бывает примерно у 90% молний), на стримерную ветвь длиной 1 м при нормальных атмосферных условиях должно ложиться напряжение ДU0 max ? 400 - 500 кВ [6]. Эту величину можно рассматривать как критерий рождения встречного лидера в объеме стебля стримерной вспышки.

Когда стримерная вспышка рождается естественным путем, за счет усиления поля зарядом лидера нисходящей молнии, распределение напряжения в приэлектродной зоне обеспечивает выполнение лидерного критерия. По данным рис. 8 (красная кривая) напряжение на длине 1 м здесь заведомо больше, чем ДU0 max. Если же попытаться стимулировать рождение стримерной вспышки наложением на вершину электрода крутого импульса напряжения малой амплитуды (величиной 20 кВ, как в только что рассмотренном примере), то желаемый эффект не будет достигнут. Стримерная вспышка возникнет и здесь, но напряжение на длине 1 м едва поднимается до 200 кВ (синяя кривая). До порогового значения ДU0 max еще очень далеко, а потому встречный лидер не сможет зародиться. Наше воздействие на процесс оказывается безрезультатным.

Понятно и другое. Чтобы добиться успеха, управляющее воздействие должно быть соизмеримо по величине сДU0 max. Значит десятками киловольт обойтись не удастся. Приходится оперировать сотнями киловольт. А это уже совсем другая техническая конструкция и другие деньги.

4. ESE-МОЛНИЕОТВОДЫ