Незавершенные разряды в электрическом поле грозового облака

4. Незавершенные разряды в электрическом поле грозового облака

Из цикла статей "Молниезащита нефтегазовых объектов".

4.1. Механизм незавершенных разрядов

Его наглядно демонстрирует молниевый разряд на рис. 20. Останкинскую башню поразила "молния наоборот". Она стартовала от вершины башни и устремилась к заряженной ячейке грозового облака. Такие разряды специалисты называют восходящими в отличие от традиционных, нисходящих, которые развиваются от облака к земле.

Рисунок 20. Фотография восходящей молнии в Останкинскую телебашню

Молния всегда ветвится в направлении движения, поэтому направление ее развития хорошо различимо. Объяснение природы восходящих молний не вызывает особых проблем. Заряд грозового облака создает у земли вполне приличное электрическое поле. На неэкранированной поверхности оно может достигать E₀ = 20 – 50 кВ/м. На полукилометровой высоте башни H может набраться напряжение U₀ = E₀H₀ величиной до 25 МВ.

4.2 Средства защиты

Инструкция РД 34.21.122-87 предписывает обязательную защиту области горючих газовых выбросов от контакта с каналом молнии. Для этой цели она вместе с резервуаром должна быть обязательно включена в зону защиты молниеотводов. Это неплохо, хотя и бесполезно, потому что к поджигу газа может привести не только контакт с каналом молнии, но и почти с любым незавершенным разрядом. Они могут возникать от боковой поверхности молниеотвода, от ограждения на крыше резервуара, даже от конструктивных деталей того же дыхательного клапана малого радиуса, где внешнее электрическое поле многократно усиливается. Оценка эффекта достаточно проста.

Рисунок 21. К оценке электрического поля у вершины заземленного электрода

Пусть грозовое облако создало у земли электрическое поле напряженностью E₀ (для простоты,- однородное), в котором размещен объект высотой h с вершиной радиуса r₀. Потенциал грозового поля в месте расположения вершины равен U₀(h) = -E₀h (знак минус учитывает направление вектора E₀ на рис. 21). Однако, объект заземлен и потому его потенциал тождественно равен нулю. Для этого на вершине за счет электростатической индукции должен быть наведён заряд Q_ind, который своим полем доведёт суммарный потенциал до нулевого значения:

Здесь потенциал от наведенного заряда вершины записан как для точечного заряда. Это даёт для наведённого на вершине заряда выражение

Поле наведённого заряда непосредственно у вершины равно

Оно оказывается в K_E = h/r₀ раз больше электрического поля грозового облака в месте расположения объекта. Если провести расчет с учетом наведенного заряда и на боковой поверхности стержневого электрода того же радиуса r₀, получится величина в 2 раза меньшая:

но все равно эффект усиления грозового поля будет выражен очень явно. Например, при E₀ = 20 кВ/м порог ионизации воздуха на вершине электрода радиусом r₀ = 10 мм будет достигнут при высоте h = 1.5 м. Практически в качестве "электрозажигалки" годится любая строительная неоднородность малого радиуса, острые углы на дыхательном клапане, стержень молниеприемника (в т.ч. его боковая поверхность), ограждение резервуара, выполненное из стальных уголков и т.п. Установка молниеотвода подобной опасности не устраняет.

Средство для ограничения напряженности электрического поля хорошо известно. Надо увеличивать радиус кривизны тонких строительных конструкций. Начинать придется с молниеотвода, особенно если его молниеприемник расположен в зоне газового выброса или очень близко к ней. Стандарт по молниезащите ОАО "Газпром" предлагает детальный расчет радиуса стержневого молниеотвода, гарантирующего искробезопасность. В типовых ситуациях речь идет о радиусах в десятки сантиметров. Специалисту в области механики нетрудно подсчитать ветровую нагрузку на такую конструкцию и ее фундамент. Для северных регионов с сильными ветрами получаются весьма впечатляющие значения. Чтобы их уменьшить, предложен стержневой молниеотвод с расщепленной боковой поверхностью (рис.22). Выполненная из тонких стальных тросов, она более "прозрачна" для воздушного потока, но почти так же эффективно экранирует электрическое поле, что и сплошной металл.

Рисунок 22. Стержневой молниеотвод с расщепленной боковой поверхностью

Было освоено производство таких молниеотводов. Жаль только, что их установка не решает проблему полностью. Расщепленная поверхность снизит напряженность электрического поля до безопасного уровня, но она не в состоянии повлиять на условия развития незавершенных разрядов от других конструктивных элементов малого радиуса кривизны. Теоретически можно экранировать их все без исключения. Но что поделать с птицей, усевшейся на ограждение резервуара или с металлической лопатой, которую случайно забыли на его крыше?

Всеобщее экранирование всех потенциально опасных мест никак не попадает в разряд конструктивных решений, гарантирующих высокую надёжность. Правильнее бороться не со вспышками газовых выбросов над резервуаром, а с их опасными последствиями. Здесь нет иных вариантов, кроме создания надёжных огнепреградителей, полностью перекрывающих возможность проникновения пламени во внутренний объём резервуара.

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

Полезные материалы:

Смотрите также: