4. Испытания эффективности активных молниеотводов

Из цикла статей " Активны ли активные молниеотводы?".

Правильнее сразу отметить, что измерения запаздывания момента старта стримера от вершины электрода сами по себе ничего не дают. Добиться разных условий возникновения встречного разряда можно очень простым способом, не прибегая к подаче дополнительного напряжения на один из электродов. Достаточно изменить форму их вершин, например, сделать у одного из стержневых электродов коническую вершину, а у другого полусферическую большего радиуса. Типичный результат эксперимента с такими электродами показан на рис. 11.

Рисунок 11. Осциллограммы зарядов стримерных вспышек от электродов равной высоты 1 м с полусферической и конической головками

Высота стержневых электродов и расстояние между ними равнялось 1 м; расстояние от вершин электродов до высоковольтного стержневого электрода отрицательной полярности – 2 м. Один из электродов имел полусферическую головку диаметром 5 см, другой – коническую с углом при вершине 300. Момент старта встречного разряда точно фиксировался по всплеску на осциллограммах объемного заряда, который выбрасывали в промежуток стримерные вспышки. Не взирая на достаточно большой разброс времен старта встречного разряда, во всех многочисленных экспериментах (не менее 250 измерений на серию) встречный разряд с конической вершины опережал разряд от полусферы. В этом убеждают интегральные кривые распределения измеренных времен, которые представлены на рис. 12.

Рисунок 12. Интегральные кривые распределения времен старта встречного разряда от заземленных стержневых электродов равной высоты с конической и полусферической вершинами

Что же касается вероятности пробоя промежутков, то она практически не зависела от момента старта встречного разряда. В итоге число ударов искры в электроды с различными вершинами отличались всего на 7%. Этого явно недостаточно для того, чтобы судить об эффективности активного молниеотвода по времени опережения встречного разряда. Необходимо перейти к прямой регистрации траекторий искрового разряда в промежутках с активным молниеотводом. Работа такого рода, выполненная на высоковольтном стенде ОАО "26ЦНИИ", докладывалась на Российской конференции по молниезащите в 2014 г. Сравнивались активный молниеотвод М-200 и обычный стержневой электрод той же высоты. Использовалось импульсное напряжение 250/2500 мкс амплитудой до 3,5 МВ. В экспериментах не было обнаружено того расширения зоны защиты активного молниеотвода, что утверждалось в рекламных проспектах фирмой-изготовителем. Но ещё более важно то, что в абсолютно равных условиях обычный стержневой электрод принимал на себя на 20 -30% больше искровых разрядов, нежели активный. В экспериментах проверке этого факта уделялось особое внимание и полученный результат не вызывает сомнений.

Характерно, что изложенный лабораторный эксперимент по своим результатам вполне согласуется с полевыми наблюдениями специалистов университета в Нью-Мехико, доложенными на сессии IEEE в Торонто в 2003г. Наблюдения велись за группой ESE-молниеотводов и таких же по высоте стержневых обычного исполнения. Было отмечено преимущественное поражение молниями обычных, а вовсе не ESE-молниеотводов, как того хотелось бы их производителям. Трудно заставить себя признать, что управляющие воздействия по какой-то причине оказывают эффект противоположный ожидаемому. Ещё труднее казалось бы найти объяснение этому.

Не было бы проблем, если бы разработчики ESE-молниеотводов не скрывали электрические характеристики своих управляющих воздействий, в первую очередь, - временные параметры сформированного импульса напряжения. Тем более, что на деле оценить их не так уж сложно. Размеры конденсаторов высокого напряжения – совершенно открытый материал, публикуемый в каталогах. Размеры активных молниеотводов тоже не представляют секрета. Их сопоставление неизбежно приводит к заключению об исключительно малой энергоемкости внутренних источников управляющего напряжения. При токе порядка 1 А, который потребляет встречный лидер на самом начальном участке своего развития, речь может идти о длительности импульса управляющего напряжения в единицы микросекунд. Последствия воздействия такого импульса хорошо известны по лабораторным экспериментам полувековой давности. Результаты регистраций на рис. 13 получены при развитии длинной положительной искры в промежутке плоскость- стержень на плоскости длиной 5 м.

Рисунок 13. Электронно-оптическая развертка изображения вместе с синхронными осциллограммами напряжения и объемного заряда при развитии искрового разряда в присутствии короткого управляющего импульса

Заземленный стержень высотой 3 м стоял на плоском металлическом полу лаборатории, образуя разрядный промежуток длиной 2 м. На верхнюю плоскость подавалось высокое импульсное напряжение с фронтом около 200 мкс, а также короткий управляющий импульс (см. верхнюю осциллограмму рис. 13). Для регистрации оптической картины разряда использован электронно-оптический преобразователь с усилением света, работающий в режиме непрерывной развертки изображения. Яркая предпробойная стадия процесса отсекалась электронным затвором. Момент его срабатывания фиксировался одним из лучей осциллографа. Наброс управляющего импульса производился уже во время лидерной стадии процесса (t₁ на рис. 14). Результатом была мощная стримерная вспышка, внедряющая в промежуток заряд порядка 10 мкКл. Резкое ослабление электрического поля у вершины электрода этим зарядом прерывало все ионизационные процессы. В промежутке наступала "мертвая" пауза. Для её компенсации требовалось дополнительное увеличение напряжения. Только после этого лидер реанимировался и продолжал свое развитие (t₂ на рис. 14) вплоть до пробоя промежутка. Таким образом, результат воздействия управляющего импульса оказался противоположным ожидаемому - вместо снижения пробивного напряжения наблюдалось его увеличение в пределах 20%, причем эффект зависел от величины заряда, внедрённого при воздействии короткого управляющего импульса.