Вебинар "Скользящие разряды в молниезащите." Страница 1

Текст вебинара. Страница 1

Быстрая навигация по слайдам:

Примерное время чтения: 53 минуты.

Скользящие разряды в молниезащите

— 60 с гаком лет тому назад я пришёл на кафедру техники высоких напряжений проситься поработать. Случайно я попал к человеку, к Елене Яковлевне Рябковой, которая занималась растеканием в земле больших импульсных токов. И этот человек, которого сейчас уже давно нет на свете, сыграл в моей жизни очень большую и очень важную роль, потому что она не только заинтересовала меня вопросами, связанными с растеканием тока молнии, она учила меня исследовательской работе с одной стороны, а с другой стороны она меня учила просто быть образованным человеком. Вовремя умываться, чисто одеваться, стричь ногти, уступать места девушкам, то есть всему тому, чему мальчишка из подмосковного маленького города мало что умел делать. У меня потом было очень много встреч с другими выдающимися специалистами нашей с вами области, и я достаточно многому у них научился, но для меня значимость моего первого учителя – Елены Яковлевны Рябковой, она осталась первой. И потому, наверное, самой важной. Кстати, её книга по заземляющим устройствам, она издана Госэнергоиздатом, она пользуется популярностью до сих пор. И именно от Елены Яковлевны Рябковой я услышал об этих скользящих разрядах. Если сказать по совести, она не рассказала мне, а показала мне книгу, которая была издана в 1951 году, это была теоретическая работа по влиянию земли на характеристики линии электропередач. И среди этих теоретических исследований была одна последняя глава, в которой рассказывалось о том, что есть такое явление: вдоль поверхности земли скользят разряды от точки удара молнии, и эти разряды оставляют после себя длинные борозды, очень похожие на те борозды, которые оставляет после себя плуг или соха. И по этим бороздам можно проследить траекторию этих разрядов и куда ударила молния, и как ток проскочил на расстояние в десятки метров, минуя молниеотводы, и ударил в объект не сверху традиционным путем, а снизу, скользя вдоль поверхности земли в обход всех молниеотводов. Я прочитал эту книгу и заболел этими самыми разрядами. У меня сейчас есть возможность показать вам разряд, который скользил не по поверхности земли, а по поверхности воды. Механизм того и другого явления совершенно одинаков. И когда мы занимались первыми исследованиями таких разрядов, мы тоже заставляли их скользить по воде. Надо сказать, что то видео, которое мы скачали из Интернета, произвело на нас довольно серьёзное впечатление, потому что уж очень мощная была молния и очень много шума она произвела. Можно показать этот самый слайд? Смотрите внимательно (удар молнии по реке). Смотрите, он шел сначала по земле, потом ворвался в воду и пошел по воде. Вот такое явление и так оно выглядит. Конечно, такой мощный заряд бывает далеко не от каждого удара молнии, такие шумы и трески, но неприятностей такой процесс может произвести довольно много. В чём дело? У вас есть молниеотводы. Молниеотводы у вас перехватывают на себя удары молний. Представьте, что вы замечательно рассчитали молниеотвод, и он работает с очень высокой надёжностью. И, несмотря на эту очень высокую надёжность, у вас дальше события могут развиваться по следующей схеме. У вас молния попадает в молниеприёмник, проходит в заземляющее устройство молниеотвода, а дальше от этого заземляющего устройства такой скользящий и искровой канал развивается и движется в совершенно в ненужную вам сторону. В результате этого по высоко проводящему каналу ток может пройти в защищаемую область, обходя молниеотвод.

Нормативные документы по молниезащите

Самое главное заключается в том, что не один сегодняшний нормативный документ наш, ни РД 34, ни СО-153, ни стандарт МЭК не принимает во внимание существование этого давно и хорошо известного факта. А раз не принимает во внимание, то никто не принимает и меры по защите от таких разрядов, которые могут представлять собой очень серьёзную опасность.

Эксперимент в Сарове

Вот как это выглядит в реальности. Та фотография, которая сейчас у вас на экране, эта фотография сделана в институте экспериментальной физики в городе Сарове, что под Нижним Новгородом. Это очень хороший научно-исследовательский институт. А та фотография, которая сейчас перед вами, получена тогда, когда на обыкновенный заземлитель в виде стержня в грунте с удельным сопротивлением чуть выше, чем 200 Ом*м, был подан ток взрыва магнитного генератора величиной в 75 кА. Это достаточно приличный ток, во всяком случае, примерно у 80% реальных молний ток меньше этого. А результат, который перед вами, он вот каков: примерно было 8 длинных каналов, причём самые длинные из этих каналов протянулся на 30 метров. Теперь представьте себе следующую ситуацию, представьте себе, что все это происходит, скажем, на резервуарном парке, где есть жидкое топливо.

Пробой грунта по нормативным документам

Это реальность и эту реальность, вообще говоря, можно произвести в лаборатории, когда мы занимались физикой таких процессов, мы так и делали. Что нас интересовало в первую очередь? Нас интересовало, а как же выбирать изоляционное расстояние, при которых эти скользящие разряды не доберутся до чего-нибудь опасного? Первый вопрос, который немедленно возник, это следующий: хорошо известная электрическая прочность воздуха, но, наверное, есть и электрическая прочность у грунта? Есть ли она? Да, вы можете открыть книги, вы можете открыть нормативные документы и увидите, что такая цифра существует. Например, она существует следующим образом: для того, чтобы пробить один метр длины в грунте, требуется напряжение в 300 кВ. Так написано в нормативном документе, переведенном из стандартов МЭК. В другом документе сказано, что если этот разряд идет не в грунте, а этот разряд идет по поверхности грунта, то цифра электрической прочности падает примерно втрое. То есть для пробоя одного метра нужно 100 кВ. И вот теперь эти цифры мы начинаем сравнивать с тем, что дает эксперимент. Эта фотография получена в бассейне с грунтом в совместной работе нашего института с военно-инженерно строительным институтом. Длина такой искры была 5 метров, а напряжение, при которой она развивалась – 135 кВ. И, стало быть, на один метр длины, оказывается, потребовалось примерно чуть больше, чем 25 кВ на метр, 25 кВ, но ни в коем случае не 300 кВ и ни в коем случае не 100 кВ. А теперь давайте ещё раз вернемся к эксперименту в институте экспериментальной физики в Сарове. Этот 30-ти метровый длины канал образовался при средней напряжённости электрического поля всего в 10 кВ на метр. Как же теперь со всем этим быть, особенно если иметь в виду, что в ПУЭ записана такая цифра. Изоляционное расстояние между молниеотводом и объектом должно выбираться по этой самой формуле и легко убедиться, что это цифра получается на уровне чуть больше 5 метров. Как эту цифру принимать во внимание? Относиться к ней иначе, как к полному вранью, ничего другого я предложить, к сожалению, не могу.

Механизм формирования

И для этого для того чтобы понять, а что же это всё значит, приходится заниматься тем, чем в общем проектировщики заниматься не очень любят. Приходится разбираться, а почему же это происходит? Что канал, который формируется в воздухе, прошу обратить внимание, что в воздухе, скользя вдоль поверхности земли, имеет электрическую прочность на уровне 10 кВ на метр, тогда когда как просто в воздухе без земли для этого потребуется примерно 500 кВ на метр. Понимаете, в чём здесь дело? И об этом стоит всерьёз поговорить. Давайте начнём с простого, я очень люблю задавать вопрос, спрашивая: земля – проводник? Мне, безусловно, отвечают, а что за вопрос, конечно, проводник! Если бы не была проводником, то никто ничего не заземлял. Второй вопрос вызывает некоторые недоумения. А во сколько раз удельное сопротивление земли больше чем удельное сопротивление металлического проводника, например, чёрной стали? Тут предлагаются самые разные цифры, у разных людей разная фантазия, но никто не называет правильную цифру. Удельное сопротивление земли даже очень хорошей в миллиард раз выше, чем удельное сопротивление металла, например, чёрной стали. А что это значит? А это значит вот какую вещь, это значит, что если у вас в земле растекается ток, то по закону Ома, там возникает электрическое поле. И если это электрическое поле превысит примерно один миллион вольт на метр длины, то у вас в этом случае в грунте начинается ионизация. Заземляющая шина, которая находится в грунте, когда она проводит ток, она покрывается ионизационным чехлом. За счёт этого ионизационного чехла, радиус шины как бы немного увеличивается, в результате уменьшается сопротивление заземления.

Механизм формирования (продолжение)

И теперь вот какой возникает вопрос, возникает вопрос такой: а почему же этот канал идёт по поверхности грунта при очень низком напряжении в десятки раз меньше, чем в воздухе? Посмотрите, перед вами вот здесь непрерывная фото развёртка движения каналов в воздухе. Это его головка, видите, ярко светящаяся. Здесь происходит ионизация, ионизация эта происходит в очень небольшом объёме. Радиус этой самой головки, он примерно один сантиметр в воздухе. И для того, чтобы здесь сильное поле сделать, высокого напряжения здесь вовсе не надо, а для чего нужно это высокое напряжение? А это высокое напряжение нужно для того, чтобы канал, который остался за головкой, сохранил свою проводимость. Но в холодном воздухе образовавшийся электрон живет максимум одну десятую микросекунды. И если бы этот канал не разогревался, то ничего бы не произошло. Прошла бы такая волна ионизации, а проводящего этого канала не оказалось. Для того чтобы в воздухе накачать энергию, которая разогреет этот канал, нужна большая зона ионизации перед головкой, которая состоит из отдельных элементов стримеров. Стримеры – холодные, стримеры пропускают ток очень небольшое время, но их очень много и в совокупности они греют этот канал. Но греют они его очень высокой ценой, потому что, чтобы вырастить стример длиной в один метр, как здесь показано, нужно напряжение примерно в 500 кВ, откуда и появляется эта высокая электрическая прочность воздуха. А вот теперь смотрите, это фото (справа) разряда по поверхности грунта. Смотрите, головки здесь не видно, этой стримерной зоны тоже не видно, а канал весь очень хорошо светится, он горячий. За счёт чего он горячий? Никаких стримеров для его разогрева не надо. Этот плазменный канал контактирует с поверхностью грунта и ток, который утекает в грунт и греет этот самый канал. Вот такой механизм придумала молния, такой механизм придумала природа. В результате электрическая прочность, которая нужна для формирования таких каналов, оказывается очень мизерной. И вместо 400 кВ/м – 450 кВ/м здесь всё обходится 10 кВ. Вот какова ситуация и вот что это за необычное и совершенно фантастическое явление.

Методика компьютерного расчёта

Теперь, когда понятна в чем суть дела, можно начать разговаривать вот о чём. Можно начать разговаривать о том, а какую длину могут иметь эти каналы? Для того чтобы понять, какую длину они могут иметь, надо знать, как скорость роста канала связана с током, который течёт через его головку. Ток, который течёт через головку, связан со скоростью такого эмпирического соотношения, которое было найдено в большой серии экспериментов, которые мы проводили вместе с всесоюзным политехническим институтом. И если я знаю скорость, то я посчитаю длину как интеграл этой скорости по времени. Вся задача сводится к тому, чтобы найти ток через головку канала. Это чисто электротехническая задача. Она очень легко решается, она решается из-за того, что есть абсолютно полная аналогия между электростатическим полем и полем постоянного тока. Это решение доведено до компьютерной программы и если потребуется сегодняшним слушателям, то вообще говоря, всю эту программу можно представить на сайте, на котором мы с вами сейчас сидим, никаких проблем в этом деле не будет. Но в результате этого дела у нас появляется возможность делать следующие вещи.

Проверка расчётной модели

У нас появляется возможность рассчитать и проверить результаты этих расчётов, сравнить с экспериментом и убедиться правильно мы считаем или нет. Когда мы занимались такой работой, то мы взяли импульс тока, который представлен здесь на осциллограмме и который был записан в тех самых экспериментах в институте экспериментальной физики в городе Сарове, о которых идёт речь. Мы взяли такой импульс тока, мы взяли свою программу и начали считать. Потому что число каналов нам было известно из той фотографии, которая у нас была. Единственным неопределённым моментом, который был – это было электрическое поле по длине канала. Но оказалось, что это электрическое поле по длине канала очень мало влияет на результаты расчётов. И в итоге результаты расчётов очень хорошо совпали с экспериментами, и мы убедились, что мы умеем очень хорошо считать. Смотрите, как длина канала меняется во времени. С напряжённостью поля в 10 кВ/ и 20 кВ/м разница практически не существенная.

Молниезащита в Кыргызстане: покоряйте вершины только с проводником! Защита хранилищ ГСМ с плавающей крышей от статического электричества Конкурс на лучший монтаж заземления и молниезащиты ZANDZ, 2019 Анализ нормативного документа ФЕДЕРАЛЬНЫЕ НОРМЫ И ПРАВИЛА В ОБЛАСТИ ПРОМЫШЛЕННОЙ БЕЗОПАСНОСТИ "ПРАВИЛА БЕЗОПАСНОСТИ ПРИ ВЗРЫВНЫХ РАБОТАХ" Вебинар "Программное обеспечение для расчёта надёжности молниезащиты любого объекта за 30 минут." Страница 3 Вебинар "Молниезащита больших территорий: парки, площадки, территории заводов." Страница 1 Вебинар "Молниезащита больших территорий: парки, площадки, территории заводов." Страница 2 Вебинар "Молниезащита больших территорий: парки, площадки, территории заводов." Страница 3