Энергоёмкость управляющих воздействий на молнию

Из цикла статей " Активны ли активные молниеотводы?".

Экспериментаторы хорошо знают, какая энергия требуется прорастающему каналу лидера. Для этого они не раз измеряли ток в его канале. При наиболее экономном режиме развития получались достаточно умеренные величины, - в пределах 1 А. Того же порядка величины получались и в той расчётной модели, что использовалась выше. Прорастая от молниеотвода высотой 50 м с почти постоянной скоростью около 2 см/мкс, канал потреблял ток i_L ≈ 0,5 А (рис. 6) на начальном участке пути длиной около 10 м, где собственно и решался вопрос об его жизнеспособности. За время ∆t = 600 мкс на этом участке был израсходован заряд ∆q = i_L∆t =0,5×6×10^-4 = 0,3 мКл. Если за время развития допустить снижение управляющего напряжения до уровня 0,5 от амплитудного значения, то на выходной ёмкости формирующего устройства должен быть накоплен заряд Q = 2∆q = 0,6 мКл. При напряжении управляющего импульса ∆U = 500 кВ потребуется выходная ёмкость С = Q/∆U= 6×10^-4/5×10⁵ ≈ 10^-9 Ф = 1000 пкФ.

Рисунок 6. Динамика роста тока и длины канала встречного лидера от молниеотвода высотой 50 м при управляющем воздействии 500 кВ в поле грозового облака 50 кВ/м

Приходится сразу отметить сложность технической проблемы, которую должен решать создатель источника управляющих воздействий для активных молниеотводов в крайне ограниченном технологическом объёме. В действительности задача становится ещё более серьёзной, когда речь пойдёт об источнике в равной степени пригодном для молниеотводов умеренной высоты, скажем, - в 15 – 20 м. Электрическое поле грозового облака на такой высоте может быть существенно ослаблено объёмным зарядом короны от системы неоднородностей на поверхности земли (деревья, кустарник, трава и т.п.). Здесь оно вполне может находиться на уровне 10 – 20 кВ/м, иногда ещё ниже. Потенциал вершины в столь слабом поле U₀ = E₀h принципиально не превысит 150 – 400 кВ и потому зарядка накопительной ёмкости коронным током до нужного напряжения окажется принципиально невозможной. Придется ориентироваться на схему умножения напряжения, например, на широко известную схему Маркса, по которой строятся традиционные генераторы импульсного напряжения (ГИН).

Чтобы сохранить требуемую энергоёмкость при пониженном напряжении, потребуется увеличивать ёмкость конденсаторной батареи согласно соотношению

В итоге ёмкость накопительного конденсатора управляющего устройства возрастает как

Так, при выборе напряжения ступени в схеме умножения U₂ = 50 кВ, значение C₂ следует увеличить до 0,1 мкФ. Здесь препятствием окажутся не только большие габаритные размеры накопительных конденсаторов, но и поставляемый к ним заряд

На рис. 7 представлена расчётная зависимость заряда короны от времени для молниеотвода высотой 20 м. Даже через 20 с сформированный заряд всё ещё в 7 раз меньше требуемого по проведенным оценкам. Остается добавить, что восстановление электрического поля грозовой ячейки может произойти заметно быстрее и заряда будет ещё меньше. Конечно, можно отказаться от использования коронного тока и заряжать накопительные конденсаторы от автономного источника, но это заметно дороже и требует дополнительных эксплуатационных расходов.

Рисунок 7. Динамика роста заряда, поставляемого короной от вершины стержневого молниеотвода высотой 20 м в электрическом поле грозового облака, нарастающего до 20 кВ/м за 10 с и далее не меняющемся.

Соблазнительны попытки усложнить коронирующую систему вводом в неё нескольких коронирующих очагов. Такой подход рассматривается как альтернатива резкому обострению коронирующей вершины, которая на ток хорошо развитой короны вообще не оказывает заметного влияния. Последнее убедительно доказано аналитически и результатами компьютерного моделирования.

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

Читайте далее "3. Что предлагают фирмы-изготовители активной молниезащиты".

Полезные материалы:

Смотрите также: