"Зелёная молниезащита" для высотных объектов, часть 1

Статья профессора Эдуарда Мееровича Базеляна "Зелёная молниезащита" для высотных объектов"

Историю внедрения в практику молниезащиты системы "зелёная молниезащита" трудно назвать благополучной. Запатентованное в самом конце прошлого века Роем Карпентером [1] защитное устройство представляло собой конструкцию из металлических спиц (подобную зонтику без тканевого покрытия) радиусом в несколько метров, на которых размещались острые иглы длиной около 10 см (рис. 1). Число игл доходило до нескольких тысяч. По мнению изобретателя все они должны были коронировать в электрическом поле грозового облака, создавая в совокупности слой объёмного заряда настолько плотный, что он был в состоянии нейтрализовать заряд лидера нисходящей молнии. В результате та прекращала своё существование.

Жестокая критика такого предположения со стороны специалистов по атмосферному электричеству представлялась вполне обоснованной. При токе микроамперного уровня корона не в состоянии создать слой объёмного заряда, способного нейтрализовать лидер молнии с зарядом в несколько кулон, тем более, что при хорошо развитой короне иглы переставали работать независимо друг от друга и превращались в систему, ток которой не принципиально отличался от тока одиночной иглы. По этой причине предложенная молниезащитная система была первоначально признана недееспособной.

Рисунок 1. Конструкция устройства "зелёная молниезащита" (DAS)

Положение изменилось, когда к анализу принципа действия устройства "зелёная молниезащита" подключилась команда российских специалистов, сосредоточившаяся на изучении свойств нестационарной многоочаговой короны в электрическом поле грозового облака [2-4]. Результаты их исследований позволили объяснить природу защитного действия устройств типа "зелёная молниезащита", установка которых по опыту эксплуатации заметно снижала частоту ударов молнии в высотные сооружения, над которыми они устанавливались.

В основу анализа была положена гипотеза Голда [5], согласно которой точка удара молнии на поверхности заземлённого сооружения (например, молниеотвода) определяется условиями развития встречного лидера, стартующего от вершины в электрическом поле грозового облака и приближающегося канала нисходящей молнии. Было установлено, что для старта встречного лидера необходимо выполнение следующих условий:

коронный разряд у вершины должен перейти в стримерную форму, для чего ток короны от вершины радиуса r0 должен превысить критическое значение ,
где μ_I – подвижность основного сорта коронных ионов, а E_cor – порог зажигания короны;
мощность стримерной вспышки должна быть достаточной для разогрева объёма её стебля, для чего напряжение на стримерной ветви длиной ~ 1 м должно быть не меньше 400 кВ;

лидер, стартовавший в объёме стебля, должен формироваться устойчиво, для чего среднее электрическое поле в канале лидера E_L не может превышать электрическое поле атмосферы в месте дислокации лидерной головки.

Численные эксперименты в [4] показали, что специфика "зелёной молниезащиты" в наиболее сильной степени проявляется в формировании нестационарной короны. Характерно, что наличие множества игл (10³ – 10⁴) мало сказывается на величине его суммарного коронного тока, который лишь на десятки процентов превышает ток от одиночного стержневого электрода такой же высоты и малого (рис. 2).

Рисунок 2. Динамика изменения тока короны от электрода высотой 100 м
в электрическом поле грозового облака, линейно нарастающего до 20 кВ/м за 10 с

По мере усиления электрического поля зарядом лидера нисходящей молнии ток короны от "зелёной молниезащиты" обгоняет по темпу роста ток от одиночного стержневого коронирующего электрода и становится примерно на порядок больше (рис. 3). Однако, эффект этот чисто кажущийся, поскольку на вершине стержня существует одиночный очаг короны, тогда как на поверхности устройства "зелёная молниезащита" одновременно функционирует тысячи очагов и ток короны разделяется между ними примерно в равной доле.

Динамика изменения тока короны от электрода высотой 100 м в электрическом поле грозового облака 20 кВ/мд

Рисунок 3. Динамика изменения тока короны от электрода высотой 100 м в электрическом поле
грозового облака 20 кВ/м и нисходящего лидера, транспортирующего погонный заряд 1 мКл/м
с высоты 3000 м со скоростью 200 м/мс; радиальное смещение вертикального канала лидера 100 м;
отсчёт времени с момента старта молнии

В итоге ток каждой коронирующей иглы оказывается ничтожным. Он не с состоянии превысить критическую величину и перевести корону в стримерную форму. Поэтому встречный лидер от устройства "зелёная молниезащита" может стартовать лишь в том случае, когда электрическое поле у всей его поверхности превысит порог ионизации (около 30 кВ/см при нормальных условиях). Это требует очень сильного сближения головки лидера нисходящей молнии с поверхностью "зелёной молниезащиты". Расчётные данные на рис. 4 демонстрируют динамику роста поля на поверхности устройства "зелёная молниезащита" радиусом 5 м для мощной молнии с погонным зарядом лидера 1 мКл/м. Лидер опускается со скоростью 2×105 м/с точно по вертикальной оси защитной системы. Можно видеть, что пороговое поле обеспечивается зарядом нисходящего лидера, когда его головка снизится до уровня 150 м и окажется на расстоянии всего 50 м от поверхности "зелёной молниезащиты". До этого момента он остаётся "невидимым" для молнии. Именно с этим обстоятельством связано защитное действие многоочаговой коронирующей системы.

Следует ещё раз повторить, что в основе функционирования системы "зелёная молниезащита" лежит принцип дробления коронного тока по многочисленным очагам короны, вследствие чего ни на одном из них не осуществляется переход встречного разряда в стримерную форму, необходимую для старта встречного лидера.

Изменение напряженности электрического поля на поверхности DAS высотой 100 м и радиусом 5 м

Рисунок 4. Изменение напряжённости электрического поля на поверхности устройства "зелёная молниезащита" высотой 100 м
и радиусом 5 м в процессе снижения по оси системы лидера нисходящей молнии с параметрами,
аналогичными указанным на рис. 3

Согласно методике, изложенной в [4], оценку ожидаемого числа ударов молнии в сосредоточенный (малой площади) объект высотой h можно произвести, определяя высоту ориентировки H_o по моменту старта встречного лидера, если затем воспользоваться принципом равных расстояний до поверхности земли и до заземлённой системы, смещённой по горизонтали на заданное расстояние R. Равенство этих расстояний определяет радиус стягивания молний R_att

задающий в свою очередь площадь стягивания, а следовательно, и число ударов молнии в регионе с удельной плотностью молний nM

Построение на рис. 5 демонстрирует определение радиуса стягивания R_att по результатам численного моделирования процесса развития короны в электрическом поле атмосферы и лидера нисходящей молнии, задающим функцию Ho(R).

Рисунок 5. К оценке радиуса стягивания нисходящих молний

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

>> Читайте далее "Часть 2"

Смотрите также:

Смотрите также: