Применение активных молниеотводов

Содержание:

1.Процесс ориентировки молнии
2. Радиоактивные молниеотводы
3. Можно ли управлять стартом встречного лидера?
4. ESE – молниеотводы

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 di_м/dt ~ 10¹¹ А/с наведенное напряжение в контуре площадью S ~ 1 м², оцениваемое как

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

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. 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.

Лидер нисходящей молнии, рожденной в грозовом облаке на высоте в несколько километров над поверхностью земли, в начале пути движется по непрогнозируемой траектории, претерпевая многочисленные отклонения от вектора напряженности внешнего электрического поля атмосферы. Это происходит потому, что поле в окрестности лидерной головки, где ионизуется воздух и рождается новый участок плазменного канала, по крайней мере на 2 порядка больше внешнего [5]. Оно создается собственным зарядом лидера, который размещен на поверхности канала и в чехле, сформированном стримерной зоной перед головкой. Неоднократно наблюдались участки, где лидер продвигался поперек внешнего поля и даже в обратном направлении (рис. 1).

Рис. 1. Причудливость траектории молнии

Нечто подобное удавалось фиксировать и в длинных лабораторных воздушных промежутках. Все такие отклонения варьировали от разряда к разряду случайным образом. Если в лабораторном эксперименте сфотографировать сотни траекторий и построить по ним усредненную, то случайные отклонения нивелируются и среднестатистический канал пойдет строго по вектору внешнего поля (рис. 2) [5]. В осесимметричном промежутке стержень-плоскость это будет вертикальный канал.

Рис.2. Усредненная траектория длинной искры в симметричном промежутке

Нарушим симметрию, разместив на заземленной плоскости электрод, имитирующий наземный объект, и снова построим усредненную траекторию для многих разрядов. Теперь средневзвешенный канал пройдет вертикально только до некоторой высоты, а затем отклонится в направлении наземного объекта (рис. 3). Высота, на которой начинается такое целенаправленное отклонение, можно назвать высотой ориентировки H_o. Она тем больше, чем выше объект h.

Рис. 3. Усредненная траектория в промежутке с заземленным электродом

Сегодня механизм ориентировки молнии ясен не до конца. Проще всего было бы посчитать причиной ориентировки то искажение электрического поля, которое вызывают электрические заряды, индуцированные на поверхности объекта. Однако, по результатам численных расчетов их эффект оказывается слишком слабым. Достовернее связывать ориентировку с развитием так называемого встречного лидера. Он всегда стартует от вершины объекта и направляется навстречу (отсюда и название) лидеру молнии. Контакт лидеров завершает процесс их развития (рис. 4). Чем длиннее встречный лидер, тем на более дальних подступах он перехватывает молнию.

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

Теперь можно сформулировать программу действия, - чтобы увеличить эффективность молниеотвода надо по возможности раньше возбудить встречный лидер и заставить его расти с максимально возможной скоростью. В сказанном нет ничего противоречащего физике электрического разряда. Требования вполне конкретны и в целом технически реализуемы. Вопрос лишь в том, пригодны ли известные средства их реализации для массового применения. Именно здесь желаемое чаще всего выдается за действительное, а ничем не подкрепленная гипотеза - за строгое знание физики дела.

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 = E₀h = 100 – 400 кВ. Электростатическое поле вытесняется из металлического стержня и сосредотачивается у его вершины малого радиуса r₀, где напряженность E(r₀) ~ U/r₀ = E₀h/r₀ легко превышает порог ионизации воздуха, близкий к E_cor = 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.

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.

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 снизав 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.

Рис. 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 1,5 раза. Значит, действующим фактором оказалась не только величина напряженности поля атмосферы E₀ , но и скорость ее роста E₀/dt.

>Последнее заключение представляется очень соблазнительным. Действительно, лидер молнии, “работая” в миллисекундном диапазоне, довел ток короны до критического значения усилением поля в атмосфере всего на DE₀ » 10 кВ/м, затратив на это напряжение DU₀ = DE₀h » 1000 кВ, распределенное на длине молниеотвода h. Теория говорит, что у нестационарной короны в электрическом поле атмосферы коронный ток пропорционален E₀(dE₀/dt)^1/2. Значит, без потери эффекта можно ослабить управляющее воздействие, скажем в 50 раз (20 кВ вместо 1000 кВ), если увеличить скорость его нарастания в 50² = 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 DU_0max » 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 DU_0max. 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 DU_0max еще очень далеко, а потому встречный лидер не сможет зародиться. Наше воздействие на процесс оказывается безрезультатным.

Рис. 8. Распределение напряжения у вершины молниеотвода высотой 100 м в
момент старта стримерной вспышки за счет усиления поля нисходящим
лидером (красная кривая) и набросом крутого импульса 20 кВ (синяя кривая)

Понятно и другое. Чтобы добиться успеха, управляющее воздействие должно быть соизмеримо по величине с DU_0max. Значит десятками киловольт обойтись не удастся. Приходится оперировать сотнями киловольт. А это уже совсем другая техническая конструкция и другие деньги.

Под таким названием выпускаются современные активные молниеотводы. Аббревиатура образована английскими словами “ранняя стримерная эмиссия”. Предполагается, что конструкция молниеотвода обеспечивает исключительно раннее развитие встречного разряда, от чего, якобы, вырастает длинный встречный лидер, перехватывающий молнию на в 5 - 6 раз более далеком расстоянии. Молниеотвод отличается обоюдоострой конической вершиной, на которую подается импульс высокого напряжения от встроенного источника. Источник – “known-how” фирмы. Вероятно, его накопитель энергии заряжается от тока короны в электрическом поле грозового облака. Изолирующая прокладка между вершиной молниеотвода и его основанием толщиной в несколько миллиметров позволяет оценить предельную величину напряжения, которое может быть подана на вершину. Не при каких обстоятельствах оно не выше 20 – 30 кВ. Из сказанного в разделе 3 ясно, что столь низким напряжением встречный лидер не стимулировать. Остается только радиус вершины. Его влияние подробно анализировалось с помощью численного моделирования [8]. На рис. 9 показано при какой высоте нисходящего лидера молнии может стартовать стримерная вспышка от стержневого молниеотвода высотой 50 м с вершиной различного радиуса. Здесь влияние радиуса налицо. Но для успешной работы молниеотвода важна не стримерная вспышка, а активно растущий встречный лидер. К сожалению, в диапазоне малых (< 1 см) радиусов вершины влияние этого параметра на возникновение активно растущего встречного лидера пренебрежимо слабое (рис. 9).

Рис. 9. Влияние радиуса вершины молниеотвода на условия старта стримерной
вспышки и активно растущего встречного лидера

Как итог можно заключить, что использование ESE-молниеотводов вместо традиционных аналогичной высоты не должно привести к расширению зоны защиты.

Аналогичные результаты был получены из сравнительного опыта эксплуатации ESE и обычных молниеотводов специалистами университета Нью-Мехико [9,10]. Они не выявили никаких преимуществ “активных” молниеотводов. Научная сессия IEEE в 2003 г в Торонто подвела итог дискуссии по активным молниеотводам. Аргументов в их пользу специалисты не увидели.

Тем не менее, выпуск ESE-молниеотводов продолжается. Рекламная компания фирм-производителей усиленно навязывает их потребителям далеко не во всем честными методами. Например, демонстрируются протоколы испытаний молниеотводов на высоковольтных стендах. Такие испытания в промежутках длиной около 10 м действительно проводились в некоторых странах, в том числе и в России. Их результаты никак не могли претендовать на оценку эффективности молниеотводов. Эксперимент в лабораторном промежутке принципиально нельзя переносить на молнию с в сотни раз большей длиной канала, поскольку все основные параметры длинной искры резко нелинейные, а процесс ее развития не подчиняется законам подобия. В лучшем случае в лаборатории подтверждалось вполне очевидное и мало значащее для сути дела предположение о более раннем возбуждении стримерной вспышки от электрода меньшего радиуса. И это все.

Важно отметить, что ни в одном отечественном нормативном документе по молниеозащите ( как, например, и в нормативах США) нет никаких указаний на возможность использования в практике проектирования ESE – молниеотводов. Все включенные в них предписания касаются только молниеотводов традиционного исполнения. И только эти предписания являются юридическим основанием для последующей проверки законности применения избранных средств защиты от прямых ударов молнии. В этой связи вызывают недоумение действие некоторых руководителей государственных инспекций, имеющих собственные мнения относительно использования активных молниеотводов. Так, заместитель руководителя Ростехнадзора по Уральскому региональному округу Ю.И. Юдин разрешил применение отечественных активных молниеотводов “Громостар” в своем округе. Он руководствовался заключением № 1-М от 31.08.06 “Центра лабораторного анализа и технических измерений УрФО”, не имеющего никакого отношения к теории и практике молниезащиты. Еще дальше пошло Управление государственного энергетического контроля в лице заместителя начальника А.В. Цапенко. Есть смысл привести копию его информационного (а на деле сугубо рекламного) письма полностью. К gbcmve остается добавить, что рекламная деятельность не входит в функции Управления. Что же касается самого заключения о молниеотводе “FOREND EU”, разработанного в Турции, то оно основано на экспертном заключении ООО “Энергоаудит” № 05/07-39 от 14.11.07. На сайте этой организации http://www.enaudit.ru/ помещена статья, претендующая на пояснение физических принципов работы молниеотвода. Из нее следует, что специалисты “Энергоаудит” так мало знакомы с проблемой активных воздействий на молнию, что перепутали результаты лабораторных испытаний стойкости молниеотвода к воздействию тока молнии с испытаниями, которые

Рис. 10. Копия письма, разрешающего применять активные молниеотводы
фирмы “FOREND”

обязаны были подтвердить эффективность предложенных фирмой управляющих воздействий на встречный лидер.
Приходится еще раз повторить, что методика расчета зон защиты молниеотводов в отечественных нормативных документах по молниезащите сознательно не принимает во внимание все рекламируемые управляющие воздействия, поскольку они противоречат современным представлениям о процессах ориентировки молнии, а приписываемый им положительный эффект не подтвержден ни полномасштабными испытаниями, ни опытом эксплуатации. Норматив не может запретить Вам тратить деньги на активные молниеотводы, но приобретая их, надо помнить, что Вы должны выбирать высоту, число и место расположения молниеприемников, исходя из требований национальных нормативных документов, а не рекламных инструкций, составленных фирмами-изготовителями. Разрешительные письма, подобные здесь приведенными, не будут приняты в качестве индульгенции при расследовании очередной грозовой аварии.

Литература
1. V. Rakov, M. Uman. Lightning. Physics and effects. 2003. Cambridge University Press. 687 p.
2. Правила устройства электроустановок. ПУЭ. Издание 7. 2002.
3. Инструкция по устройству молниезащиты зданий и сооружений РД 34.21.122-87. М: Энергоатомиздат. 1991.
4. Э.М. Базелян . Молниезащита высоких сооружений. Изв. РАН, Энергетика. 2005, № 3, С. 35-74.
5. Э.М. Базелян, Ю.П. Райзер Физика молнии и молниезащиты М: Физматлит, 2001. 320 с.
6. Базелян Э.М., Райзер Ю.П. Искровой разряд. М: Из-во МФТИ, 1997. 320 с.
7. Aleksandrov N.L., Bazelyan E.M., Carpenter R.B., Jr., Drabkin M.M., Raizer Yu.P. The effect of coronae on leader initiation and development under thunderstorm conditions and in long air gaps/ J. Phys. D: Appl. Phys. 2001, V. 34, p. 3256-3266.
8. N.L. Aleksandrov, E.M. Bazelyan, F.D’Alesasandro and Yu.P. Raizer. Dependence of lightning rod efficacy on its geometric dimension – computer simulation/ J. Phys. D: Appl. Phys. 2005, V. 38, p. 1-14.
9. W. Rison. Experimental validation of conventional and non-conventional lightning protection systems. 2003. Report on Conf. IEEE. Toronto, Canada.
10. C. Moore, G. Aulich and W. Rison. Measurement of lightning rod responses to nearby strikes. / Geophys. Res. Let. 2000, 27,P. 3201-3204.

Д.т.н., проф. Э. Базелян