Необходимость устройства молниезащиты зданий, сооружений и оборудования определены «Техническим регламентом о требованиях пожарной безопасности» как один из способов предупреждения пожаров, а также иными законодательными нормами Российской Федерации в области пожарной безопасности.
Воздействия молнии традиционно разделяют на первичные (вызванные прямым ударом молнии) и вторичные (индуцированные близким ударом молнии или занесенные по внешним коммуникациям).
Прямой удар молнии (непосредственный контакт канала молнии с объектом) может вызвать следующие воздействия:
- термические, вызывающие опасность возгорания или проплавления,
- механические, проявляющиеся в виде ударной волны или электродинамических воздействий,
- электрические, т.е. поражение током людей и животных, а также выход из строя электрической и электронной аппаратуры.
Вторичные последствия удара молнии непосредственно в объект или вблизи него вызывают перенапряжения внутри объекта или опасное искрение, которые, в свою очередь, зачастую являются причиной пожаров.
В настоящее время в Российской Федерации действуют множество как общегосударственных нормативов по молниезащите (ГОСТ Р серия 62305 и ГОСТ Р серия 62561, «Руководящие указания по расчету зон защиты стержневых и тросовых молниеотводов» РД 34.21.121-74, «Инструкция по устройству молниезащиты зданий и сооружений» РД 34.21.122-87 и «Инструкция по устройству молниезащиты зданий, сооружений и промышленных коммуникаций» СО 153-34.21.122-2003), так и отраслевых («Нормы по проектированию, устройству и эксплуатации объектов военной инфраструктуры» ВСП-22-02-07/МО, ГОСТ 58232-2018 «Объекты железнодорожной инфраструктуры. Комплексная защита от атмосферных и коммутационных перенапряжений. Общие требования» (ОАО «РЖД»), СТО Газпром 2-1.11-170-2007 «Инструкция по устройству молниезащиты зданий, сооружений и коммуникаций ОАО «Газпром» и другие).
Наиболее эффективным способом борьбы с прямым ударом молнии и ее вторичными проявлениями, было и остается применение систем молниезащиты, назначение которых – переориентирование от защищаемого объекта и непосредственный прием прямого удара молнии, распределение и рассеяние тока молнии в земле (внешняя молниезащита (другое популярное название - молниеотвод) в составе: молниеприемник, токоотводы и заземлитель), а также предупреждение прорыва тока молнии в объект и защита от импульсных перенапряжений (внутренняя молниезащита). Приняв удар молнии, система молниезащиты по подключенным к молниеприемнику токоотводам отводит ток молнии к заземлителю для рассеяния тока молнии в земле.
Наиболее распространены в мировой практике стержневые молниеотводы, отлично зарекомендовавшие себя на протяжении более чем 270 лет.
Удобным инструментом пространственной визуализации защищенных от прямого удара молнии областей (зон) является использование понятия «зона защиты молниеприемника»» – применимо как для предварительной оценки систем молниезащиты любых объектов, так и для проектирования систем молниезащиты объектов, не обладающих сложной структурой.
Впервые в России этот термин был определен в 1936 году ученым Акопяном А.А. (ВЭИ): «зона защиты» - пространство, защищенное молниеотводом от попадания прямых ударов молнии и «радиус защиты» - горизонтальное расстояние от вертикальной оси молниеотвода до наиболее удаленной точки, защищенной молниеотводом.
Зоной защиты одиночного стержневого молниеотвода, согласно наиболее используемым в Российской Федерации нормативам РД-34.21.122-87 и СО 153-34.21.122-2003 является конус с прямолинейной образующей. Вершина конуса зоны защиты находится на оси молниеотвода и расположена ниже вершины молниеприемника. Размеры зоны защиты (высота и радиус защиты на уровне земли) зависят от заданной надежности защиты и от высоты молниеотвода. Согласно пункту 3.3.1 СО 153-34.21.122-2003 «объект считается защищенным, если совокупность всех его молниеотводов обеспечивает требуемую надежность защиты».
Современный уровень развития науки и техники, а также повсеместное применение чувствительных электронных устройств и средств вычислительной техники требует создания надежных средств и увеличения зоны молниезащиты.
Возможность увеличения защитной зоны молниеотвода путем уменьшения электрической прочности воздуха в области острия молниеприемника известна с середины 20-го века. Так, Стекольников И.С. ещё в 1940 году писал о проведенных русскими учеными работах по изучению возможности увеличения защитной зоны молниеприемника путем создания над ним вертикального столба нагретого воздуха [Стекольников И. Пути развития грозозащитных установок // Электричество, 1940, № 12, с. 14-17]. В этой же работе указана вероятность увеличения защитного действия стержневых молниеотводов в результате возможного повышения проводимости окружающего воздух путем ионизации.
Зона ионизированной воздушной плазмы у острия молниеприемника обладает гораздо более высокой электропроводностью, чем окружающий воздух, и таким образом облегчает разряды молнии в направлении молниеприемника, повышая его эффективность и радиус действия. Являясь основным элементом системы молниезащиты, в функцию которого как раз и входит инициация и развитие устойчивого восходящего лидера (горячего сильно ионизированного канала) ранее, чем от элементов объекта, молниеприемник должен создавать для этого оптимальные условия. Известно, что в условиях конкурирующего развития восходящих лидеров от элементов объекта и молниеприемников, опередивший в своем развитии устойчивый лидер подавляет (экранирует) окружающее электрическое поле своим объемным зарядом и затрудняет формирование и развитие восходящих лидеров от иных соседних заземленных объектов. Таким образом, место возникновения первого жизнеспособного восходящего лидера определяет результат ориентировки молнии. При этом наличие хорошо ионизированного столба воздуха в области вершины молниеприемника будет эквивалентно увеличению высоты и соответственно, размеров зоны защиты, заземленного стержневого молниеприемника.
Достаточно простым и экологически безвредным способом ионизации воздуха является насыщение его ионами и электронами, образующимися вследствие коронного разряда и движущимися вдоль линий электрического поля. Коронный разряд возникает при наличии сильной локальной концентрации электрического поля в области острия молниеприемника, которая зависит от размера, геометрии и высоты молниеприемника (его острия), а также от размеров и формы конструкции, на которой установлен молниеприемник. Определяющее влияние на интенсивность ионизации воздуха в области острия молниеприемника в условиях грозовой обстановки оказывает приближающийся нисходящий лидер молнии.
В достаточно сильном электрическом поле с положительным градиентом (с увеличивающейся напряженностью) образовавшиеся вследствие ионизации ионы и электроны ускоряются окружающим полем и сами способны вызывать вторичную ионизацию молекул газа.
В то же время, тлеющий коронный разряд на острие молниеприемника не способен привести к появлению устойчиво развивающегося восходящего лидера. Для этого необходимо его преобразование в стримерную форму (стример – холодный короткоживущий слабо ионизированный канал) и появление стримерной вспышки с дальнейшим образованием восходящего лидера. К тому же созданная вокруг острия молниеприемника напряженность электрического поля быстро уменьшается с увеличением расстояния от заостренного элемента. В такой ситуации любой преждевременно сформированный восходящий лидер окажется в области низкой напряженности поля, недостаточной для его дальнейшего развития и не сможет получить достаточную энергию, чтобы стать стабильно развивающимся лидером.
Кроме того, тлеющий коронный разряд на острие молниеприемника снижает напряженность окружающего поля за счет экранирующего эффекта образованных пространственных зарядов, что затрудняет появление стримеров от острия молниеприемника и инициацию встречного лидера. В связи с этим, переход тлеющего коронного разряда в стримерную форму требует либо повышения напряженности окружающего поля при приближении нисходящего лидера молнии на более близкое расстояние в течение определенного времени, либо искусственного стимулирования этого процесса в области острия молниеприемника. О возможности активного вмешательства в процесс выбора молнией точки удара путем изменения условий в приэлектродной зоне для обеспечения преимущественного развития встречного лидера с молниеприемника, а не с элементов защищаемого объекта указывает Базелян Э.М. в работе 1974 года [Базелян Э. Выбор точки удара разрядом молнии // Электричество, 1974, № 10, с. 15-19].
Задачу активного воздействия на окружающую среду в области острия молниеприемника успешно решает молниеприемник с опережающей эмиссией стримера (далее – МОЭС, другое распространенное в России название – «активный» молниеприемник). Для преодоления выше указанной технической проблемы и формирования устойчивого восходящего лидера МОЭС должен выполнять задачу ионизации окружающего воздуха вокруг острия молниеприемника путем создания повторяющихся высоковольтных импульсов (колебаний) амплитудой превышающей (выше и ниже) уровень поддержания коронного разряда на острие молниеприемника. Таким образом осуществляется контроль и управление временем появления тлеющей короны на острие молниеприемника, что снижает вероятность пространственного экранирования.
При этом запуск коронного разряда и его переход в стримерную вспышку должен быть синхронизирован с окружающей обстановкой, то есть должен происходить только при сложившихся условиях дальнейшего формирования и развития (распространения) восходящего лидера, то есть когда напряженность поля в пределах нескольких метров над острием молниеприемника достаточно сильна и составляет около 400 кВ/м – 500 кВ/м (и постоянно растет по мере продвижения головки восходящего лидера). Опережающее появление стримерной вспышки и развитие восходящего лидера от МОЭС снизит вероятность образования прочих восходящих лидеров от структурных элементов защищаемого объект и, увеличит надежность защиты объекта.
За счет генерации высоковольтных импульсов на острие молниеприемника и эмиссии восходящего лидера, МОЭС гарантированно снижает возможность поражения прямым ударом молнии элементов защищаемого объекта, обеспечивает повышенную надежность ориентировки молнии и расширенную зону защиты.
Из уровня техники известны молниеприемники с внутренними электронными устройствами, которые создавались для повышения надежности и эффективности молниезащиты. Например, в патентах: EP0060756 (H02 G13/00, публикация 22.08.1984), EP0192000A1 (H02 G13/00 публикация 29.11.1985), US4652694 (H02 G13/00, публикация 24.03.1987), EP1336233B1 (H02 G13/00, публикация 21.11.2001), WO 200128058A1 (H02 G13/00, публикация 19.04.2001), FR2859576A1 (H02 G13/00, публикация 11.03.2005), US7041895B1 (H02 G13/00, публикация 09.05.2006), FR2874287 (H02 Н9/06, публикация 17.02.2006), CN202564935U (H02Н9/04, публикация 04.05.2012), RU2467524C1 (H05 F3/04, публикация 20.11.2012), EP3127203B1 (H02 G13/00, публикация 24.03.2015), WO2015150663A1 (публикация 08.10.2015) и ряд других. В перечисленных выше документах содержится информация о конструкции соответствующего молниеприемника, однако функционирование большинства предложенных устройств либо требует наличие дополнительного источника питания, либо состоит из большого количества используемых конструктивных элементов. При этом, схемотехнические решения выше указанных патентов не учитывают современные результаты исследования параметров молнии.
Предложенный в настоящей статье принцип работы увеличивает надежность работы МОЭС путем более точной синхронизации срабатывания по отношению к изменению окружающего электрического поля, благодаря изучению результатов современных исследований разряда молнии (в части касающейся скорости развития и длины ступени нисходящего лидера).
Кроме того, для реализации предложенного устройства молниезащиты требует лишь минимальное количество компонентов, большинство из которых имеется в свободной продаже и не требует дополнительных затрат на изготовление.
Следует отметить, что работа МОЭС не требует подключения к внешним сетям электроснабжения или иным источникам электропитания.
Пример реализации предлагаемой полезной модели иллюстрирует рисунок 1, на котором приведена схема электрическая принципиальная МОЭС.
В основе предлагаемого решения лежит резонансный трансформатор Тесла, который представляет собой два связанных колебательных контура, настроенных на одну резонансную частоту. Известно, что резонансная частота колебательного контура определяется по известной формуле Томпсона:
f = 1 / 2π√LC
В отличие от традиционного трансформатора с сердечником, связь обмоток в трансформаторе Тесла осуществляется за счёт совпадения резонансных частот колебательных контуров.
Первичная катушка L1, вместе с высоковольтным конденсатором C1, образуют первичный колебательный контур, в который включен нелинейный элемент – разрядник F1. Напряжение, необходимое для работы ГИ, поступает на выводы конденсатора С1.
Вторичная катушка L2 образует вторичный колебательный контур, где роль конденсатора C2 выполняют собственная межвитковая емкость самой катушки и распределенная емкость между острием молниеприемника и землей. Первый вывод катушки L2 электрически соединен с острием молниеприемника, второй вывод катушки L2 заземлен.
Такой резонансный трансформатор работает в импульсном режиме, не требуя при этом дополнительного (специального) источника питания. Острие молниеприемника изолировано от корпуса и заземлено через разрядник F2.
Алгоритм работы рассматриваемого устройства заключается в следующем. Выделим несколько этапов его работы:
1 – увеличение внешнего электрического поля зарядом лидера нисходящей молнии и заряд конденсатора C1 до напряжения пробоя разрядника F1. В отсутствие воздействия нисходящего лидера молнии конденсатор С1 постепенно накапливает заряд за счет электрического поля грозового облака. Величина входного напряжения на обкладках конденсатора С1 задается либо взаимным расположением элементов ПМ (образующих резистивный делитель напряжения), либо высокоомным (несколько МОм) резистором (на рисунке не показан), последовательно соединенным между корпусом ПМ и обкладкой конденсатора С1. Наличие высокоомного резистора обеспечивает автономность первичного контура и защищает его от прорыва тока молнии, вынуждая ток молнии протекать по наружной поверхности корпуса ПМ.
2 – лавинообразный пробой разрядника F1 и замыкание цепи первичного колебательного контура (при этом конденсатор С1 разряжается на катушку L1 через разрядник F1) и генерация высокочастотных колебаний в первичном контуре с частотой f1. Напряжение заряда конденсатора С1 ограничено напряжением пробоя разрядника F1.
3 – при достижении резонансной частоты колебаний первичного контура, во вторичном контуре возникают резонансные колебания с частотой f2=f1, что приводит к появлению на острие молниеприемника периодического импульсного высокого напряжения, способствующего возникновению бесстримерной короны.
4 – практически мгновенный переход бесстримерной короны в её стримерную форму и появление стримерной вспышки на острие молниеприемника.
Амплитуда выходного напряжения трансформатора Тесла зависит от напряженности внешнего поля и коэффициента усиления и может на несколько порядков превышать величину входного сигнала.
Важно, что острие МОЭС соединено не с землей (как, например, «классический» стержневой молниеприемник), а с генератором импульсов высокого напряжения. В связи с этим, при прямом ударе молнии в острие молниеприемника, ток молнии проходит по наружной поверхности корпуса и через искровой разрядник F2 по системе токоотводов направляется к заземлителю. Роль разрядника F2 выполняет кольцевой изолированный зазор между верхней частью корпуса (с острием) молниеприемника и заземленными его элементами.
Таким образом, приближение к молниеприемнику нисходящего ступенчатого лидера молнии вызывает ступенчатое увеличение окружающего электрического поля, что позволяет запускать процесс формирования стримеров и восходящего лидера на острие молниеприемника синхронно с приближением нисходящего лидера. При этом устройство запуска срабатывает (происходит пробой разрядника F1), когда значение окружающего электрического поля превышает заданный порог.
В случае многократного удара молнии, то есть нескольких ударов молнии с короткими (порядка 50 мс) интервалами между ними, каждый последующий разряд в острие молниеприемника проходит по ионизированному каналу, образованному за счет наличия ионизированных частиц, оставшихся после предыдущего разрядного импульса (так называемый «эффект памяти» разрядного промежутка).
Отмеченные конструктивные и функциональные особенности МОЭС приводят к выводу о повышении надежности работы МОЭС и обеспечении стойкости к воздействию тока молнии.
Понимание физического процесса формирования молниевого разряда позволит оценить параметры электрической схемы предлагаемого устройства.
Учитывая современные оценки длины ступени и скорости продвижения нисходящего ступенчатого лидера молнии и допуская, что в течение времени формирования одной ступени изменения электрического поля в области острия молниеприемника не происходит (величина остается постоянной), приходим к следующему выводу: приближающийся к молниеприемнику нисходящий лидер молнии оказывает на него воздействие с частотой от 6 до 150 кГц, в зависимости от длины ступеней лидера и интервала между ними. При этом напряженность окружающего МОЭС электрического поля будет увеличиваться пропорционально и синхронно с нарастающим фоновым электрическим полем.
При совпадении частоты внешнего вынуждающего воздействия с кратной резонансной частотой колебательного контура, в нем возникает явление резонанса.
Приняв скорость нисходящего лидера равной в диапазоне от 2,5·10^5 м/с до 3·10^6 м/с, резонансную частоту колебательных контуров трансформатора Тесла следует принять кратной частоте внешнего воздействия и в пределах 40-500 кГц, предпочтительно 250 кГц, что обеспечивает более точную синхронизацию появления стримерной вспышки на острие молниеприемника.
Разрядник F1 подбирается так, что его пробой происходит при напряженности окружающего электрического поля 300-400 кВ/м, то есть непосредственно перед созданием условия появления стримерной вспышки и инициации устойчивого восходящего лидера. При этом амплитуда импульсов выходного напряжения МОЭС может находиться в пределах от 8 до 20 кВ, что легко осуществимо на практике.
Значения емкости конденсаторов и индуктивности катушек определяются из формулы Томпсона, после преобразования её к виду:
LC = 1 / (2πf)^2
При расчете параметров схемы следует учесть, что емкость коронирующей вершины (в данном случае С2), как правило, оценивается порядка 5·10^-12 Ф.
Параметры L1 и C1 подбирают, исходя из оптимальной добротности колебательного контура. Приняв во внимание наличие в продаже конденсаторов типа КВИ-3, значение С1 можно выбрать в пределах от 2200 пФ до 4700 пФ.
Выводы
Важно понимать, что предложенный в настоящей статье вариант осуществления технологии молниеприемника с опережающей эмиссией стримера (МОЭС, ESE-активного молниеприемника) является лишь одним из примеров возможной концепции и технологии. Приведенные в качестве примера значения параметров схемы не являются окончательными и зависят от предпочтений производителя устройства.
Отмеченные конструктивные и функциональные особенности МОЭС обеспечивают надежность функционирования и его стойкость к воздействию тока молнии при использовании минимального количества материалов и компонентов, а также технологичности изготовления.
Рассмотренное в данной статье устройство обеспечивает существенное снижение (по сравнению с традиционным стержневым молниеприемником) времени развития стримерной вспышки (опережающая эмиссия стримера) от 10 мкс до 60 мкс и опережающее развитие восходящего лидера при грозовой деятельности. За счет опережающего появления стримерной вспышки и развития встречного лидера от острия молниеприемника, происходит подавление восходящих лидеров от прочих элементов защищаемого объекта и ориентирование нисходящего лидера молнии на молниеприемник на бо́льших расстояниях, по сравнению со стержневым молниеприемником той же высоты. Как следствие, достигается увеличение радиуса зоны защиты, по сравнению с классическим стержневым молниеприемником аналогичной высоты.