Лекция «‎Молния и молниезащита в ЭНИН им. Г.М. Кржижановского»

Тэги: молниезащита заземление инструкции и рекомендации
Внимание!

Двенадцатое мероприятие из серии "Заземление и молниезащита: вопросы и проблемы, возникающие при проектировании"

(видео лекция прошла 20 января 2016 года)

Первые исследования молнии и разработка способов защиты начались более 250 лет назад. Не смотря на это современная молниезащита по-прежнему имеет множество вопросов, на которые не найдены ответы.
Эдуард Меерович поделился со слушателями историей развития молниезащиты в России и мире, интересными фактами из этой истории, уникальными экспериментами с молнией, мировыми рекордами в физике, а также рассказал, какие существуют и как работают современные системы молниезащиты. Видеолекция несет информационный характер и будет интересна и полезна проектировщикам, электромонтажникам, научным сотрудникам, студентам технических факультетов и всем, кто так или иначе связан с молниезащитой и заземлением.

Навигация по видео лекции:

  • Первые научные исследования молнии, таймкод 00:03:02
    (Середина XVIII века, исследования Бенджамина Франклина и реакция Михаила Васильевича Ломоносова на эти исследования)
  • Начало изучения физики длинной искры, таймкод 00:06:10
    (Конец IXX - начало XX вв., теория лавин Джона Сили Эдварда Таунсенда, вопрос о том, каким образом канал длинной искры развивался от облака до земли)
  • Исследования физики длинной искры в СССР, таймкод 00:07:55
    (1930-ые годы, инициатива Глеба Максимилиановича Кржижановского по изучению физики длинной искры, исследования Илья Самуилович Стекольников, открытие лидера длинной искры)
  • Эксперименты Вадима Степановича Комелькова, таймкод 00:12:51
    (Исследования длинной искры, неожиданная командировка)
  • Деятельность лаборатории в военное и послевоенное время, таймкод 00:17:52
    (Исследования молнии во время Второй мировой войны и после нее; построение генератора импульсных перенапряжений на 3 000 000 В; эпоха мировых рекордов, создание импульсного осциллографа, освоение безиндуктивных цилиндрических шунтов, погоня за совершеннейшими записями тока лидера; создание отечественного электронно-оптического преобразователя)
  • Деятельность лаборатории в конце 50-ых - 60-ых гг., таймкод 00:24:02
    (начало работы Эдуарда Мееровича Базеляна в ЭНИН, выход на новый уровень работы лаборатории, моделирование молнии, исследования зависимости результата от фронта импульса напряжения)
  • Лидерный механизм искры и молнии, таймкод 00:35:35
  • О роли стримерной зоны и чехла объёмного заряда, таймкод 00:37:02
  • Элементарная теория лидера, таймкод 00:38:58
  • История появлений российских зон защиты, таймкод 00:40:05
  • О пути молнии, таймкод 00:42:17
    (по какому пути “пойдет” молния: по короткому или длинному промежутку? Разработка статистического метода ЭНИН)
  • Методические основы расчета числа ударов молнии в ВЛ, таймкод 00:45:41
  • Регистрация ударов молнии в Останкинскую телебашню, таймкод 00:47:06
  • Возможности статистической методики ЭНИН и ее применение, таймкод 00:48:23
  • Исследование короны молнии Валерием Ивановичем Попковым, таймкод 00:52:14
  • Эксперимент “Триггерная молния”, таймкод 00:55:33
    (про облако заряда)
  • Исследование коронного разряда в электрическом поле грозового облака, таймкод 00:55:33
  • Практическое применение исследований коронного разряда, таймкод 01:01:10
    (о системах грозоизоляции, препятствующих формированию встречного лидера и, как следствие, прямого удара молнии в объект)
  • Что на самом деле делает активная молниезащита, таймкод 01:06:50
  • Заземление для молниезащиты, таймкод 01:10:39
    (Об электрических полях и поведении тока молнии в грунте)
  • Совместная работа ЭНИН, ОИВТ РАН и ГНЦ РФ ТРИНИТИ, таймкод 01:14:07
    (О создании генератора импульсных токов с напряжением в 2мВ и с энергией 4 МДж и исследованиях, проведенных с помощью этого генератора)
  • Завершающее слово, таймкод 01:19:08
    (О конференции по молниезащите, нормативной документации и актуальных задачах молниезащиты, пожелание молодому поколению научных сотрудников)
 

Рекомендуется просмотр с качеством "720p" в полноэкранном режиме.

 

Текст вебинара. Страница 1

Быстрая навигация по слайдам:

Примерное время чтения: 60 минут

 

Молния и молниезащита в ЭНИНе им. Г.М. Кржижановского

Молния и молниезащита в ЭНИНе им. Г.М. Кржижановского

 

— Добрый день, дорогие коллеги! Несколько месяцев назад организаторы наших вебинаров предложили мне рассказать о практической деятельности молниезащиты нашего Института. Я очень легкомысленно согласился, и стал готовиться к этой самой записи. И тут я увидел, что у меня ровным счетом ничего не получается. Сколько я не пытался сделать приличную презентацию, получалось черт знает что. После очень многих попыток, я понял, что дело здесь не столько во мне, сколько в той задаче, которую мне поставили, потому что оторвать прикладную деятельность Института от научной деятельности было никаким образом нельзя. Вся наша прикладная деятельность вытекала из тех научных разработок, которые в Институте велись. И рассказать о прикладной деятельности можно было бы только в том случае, если бы я рассказывал о научной работе нашей лаборатории. И когда это я все выложил организаторам, они сказали: «Хорошо, попробуй сделать так!». И я попробовал. Что получилось, судить вам, но я должен сразу сказатьь, хотя я работаю в лаборатории больше 50 лет и захватил, в общем, все основные моменты ее деятельности, в том числе, моменты деятельности прикладные, я все-таки был одним из участников этой работы. Это значит, взгляд на все у меня был свой собственный и этот взгляд, безусловно, тенденциозный. И рассказ мой тенденциозный. Я хочу сделать оговорку — я один из сотрудников лаборатории. Хотя очень старый сотрудник и работал больше 50 лет, участвовал в достаточно большом количестве и научных, и практических разработок, но я один из участников. Это значит, что это мой чисто личностный взгляд. И поэтому, тот доклад, который вы сейчас услышите, он будет в определенной степени тенденциозный. Я прошу вас за это меня извинить. Ничего другого мне сделать, просто не удастся. Теперь могут задать такой вопрос. Собственно, а о какой науке можно говорить о молниезащите, если два с половиной века тому назад, ни два и ни три, Бенджамин Франклин в лаборатории доказал, что молния и искры – это почти одно и то же?

 

Высказывание М.В. Ломоносова о молнии

Высказывание М.В. Ломоносова о молнии

 

— И в первую очередь речь шла о нашем Михаиле Васильевиче Ломоносове, который, буквально, в восторге, прочитав статьи Франклина, написал такие слова:

«Вертясь, Стеклянный шар дает удары с блеском,
С громовым сходственны сверканием и треском.
Дивился сходству ум; но, видя малость сил,
До лета прошлого сомнителен в том был»

Смотрите, как Ломоносов подходит к делу, он смотрит на искру, и смотрит на молнию, видит совершенно несоразмерность масштабов, и говорит, что масштабирование здесь очень даже необходимо. По этой причине он пишет серию статей, говоря об этом самом масштабировании.

Послание Франклина графу Шувалову

Послание Франклина графу Шувалову

 

— И наконец, когда Франклин проводит свои последние опыты, остается цел, и выжимает длинную искру из проводящей шелковой нити, он говорит следующие слова в своем послании графу Шувалову:

«Внезапно чудный слух по всем странам течет,
Что от громовых стрел опасности уж нет!
Что та же сила туч гремящих мрак наводит,
Котора от Стекла движением исходит,
Что зная правила, изысканны Стеклом,
Мы можем отвратить от храмин наших гром.»

Смотрите, вроде бы все сформировано. Мы можем отвести от храмин наших гром, но тем не менее два с половиной века идут исследования и эти исследования до сих пор не привели к тому, что к молниезащите появились однозначные методики, однозначные тенденции и однозначные правила защиты не от грома, так от молнии.

Теория Дж.Таунсенда

Теория Дж.Таунсенда

 

— С чего все началось? А началось физикой длинной искры сначала 20 века, когда в Англии Таунсенд построил теорию лавин и показал, что непроводящий воздух превращается в проводящую искру за счет лавинообразного размножения электронов. Правда, по экспериментам, которые Таунсенд провел для этой цели, нужно было вполне приличное электрическое поле. Электрическое поле на уровне примерно 3 млн В/м. 3 млн В/м такого поля между облаком и землей не было никогда.

Порог ионизации воздуха

Порог ионизации воздуха

 

— Между облаком и землей было облако, скажем 20 кВ/м или 30 кВ/м, но ни в коем случае не 3000 кВ/м, которые потребовались Таунсенду. И исследования, которые пошли дальше привели к тому, что нужно было понять, каким образом канал длинной искры, а сверхдлинная искра – это и есть молния, развивался от облака до земли. Здесь была пока непроходимая научная пропасть. Эту пропасть пытались пройти достаточно большое количество исследований, и в том числе такие исследования по инициативе организаторов нашего Института Кржижановского, одного из авторов проекта ГОЭЛРО были начаты в начале 30-х годов.

Работа профессора И.С. Стекольникова

Работа профессора И.С. Стекольникова

 

— У этих работ стоял молодой ученый, совсем молодой в то время. Ему было тогда 31 год всего, Илья Самуилович Стекольников. К тому времени Стекольников успел кончить электроэнергетический факультет МВТУ, побывал на стажировке в Англии и в Германии, где велись очень серьезные исследования длинной искры. Освоил технику эксперимента, которой в то время пользовались, и к этому времени успел открыть явление, которое до него никто не наблюдал. Он увидел канал длинной искры в лабораторных условиях. Назвал этот канал следом за каналом молнии лидером длинной искры и начал тяжелую борьбу за приоритет с английским специалистом Аллибоном, который в то же время теми же методами и той же техникой сделал то же самое. Эта борьба за приоритет длилась около почти 30 годов. Вы знаете, она была совершенно непримиримой в то время, когда я пришел в лабораторию, эта борьба шла во всю прыть. Сдался не Стекольников, сдался Аллибон. В своей юбилейной лекции он сказал, что это явление в Советском Союзе, а тогда это был Советский Союз, открыл Илья Стекольников теми же методами и тем же способом, что и я, наши работы были совершенно независимыми. И я признаю авторитет и приоритет Стекольникова точно так же, как он, признает приоритет мой. Так оно и было. К началу 70-х годов Аллибон пробился и приехал в Советский Союз. Он не застал живым Стекольникова. Стекольников в 69-м году умер. Он встречался с нами – учениками Стекольникова. Шли разговоры обо всех этих работах. И эти работы вошли в классику исследований длинной искры молнии.

Стекольников, здесь он на этой фотографии.

 

Эксперименты В.С. Комелькова

Эксперименты В.С. Комелькова

 

— Владимир Степанович Комельков был экспериментатором совершенно другого сорта. Все эксперименты Стекольникова были всегда нацелены на мировой рекорд. Владимир Степанович Комельков несмотря на свою исключительную живость и энергичность, стремился в эксперименте к другому. Он хотел понять суть вещей, которые наблюдает, а наблюдал он вот что. Он разобрался с тем, что канал длинной искры – это очень высокопроводящее образование, почти дуговые каналы. Комельков очень быстро измерил и показал, что это действительно по проводимости дуговой канал. Но перед этим каналом формируется пучок длинных ветвей, который в то время уже называли стримерами, которые обладают низкой проводимостью и требуют полей на уровне нескольких киловольт на сантиметр длины. И эти поля, эти стримеры стартуют все время, окружая канал чехлом. Комелькову было понятно, что между этим каналом основным дуговым, лидерным и стримерами, есть какая-то взаимосвязь. Он стремительно нащупывал эту взаимосвязь, но на уровне 47-го – 48-го года все эксперименты Комелькова оборвались сразу и навсегда. Получилось это, вот, по какой неожиданной причине. На улице он встретился со своим однокурсником, возник разговор: «Что ты делаешь?». Однокурсник сказал, что он работает не в Москве, а в другом городе, в почтовом ящике. Тогда почти все работали в почтовом ящике. Комельков поинтересовался, а чем занимаются в этом почтовом ящике? «Да, вот, мы стремимся синхронизовать в микросекундном диапазоне несколько явлений так, чтобы они совпадали с точностью до долей микросекунды». Комельков рассмеялся.

 

Комельков вернулся в Москву с кучей орденов, с лауреатскими медалями, с большим чином организации, которая сегодня называется Росатомом. Долгое время отбивался от этой самой чиновничьей работы, отбился от нее, вернулся в наш Институт, но уже больше никогда не занимался теорией длинной искры. Это была, на мой взгляд, очень тяжелая потеря для теории длины искры и молнии, хотя вклад Комелькова в создании нашего ядерного оружия был значим. Во всяком случае, вы может найти книжку воспоминаний ближайших соратников Курчатова, в том числе и Комелькова и почитайте ее сами. Это очень интересная книжка, и это очень интересная глава написанная Комельковым. Но в длинной искре Комельков, к сожалению, больше не участвовал. А что же было в лаборатории? Лаборатория не прекращала свою деятельность ни на одну минуту. Еще до войны начались полевые исследования на Кавказе молнии, в которых участвовала вся лаборатория. Когда началась Великая Отечественная Война, исследования не прекращались. Я хочу показать эту книжку, которая издана была Академией Наук, она называется «Физика молнии и грозозащита». Она была издана в 43-м году. В 43-м году вопрос о победе над Германией еще не стоял. Это было сложное время и, тем не менее, эти исследования продолжались.

Лаборатория мировых рекордов

Лаборатория мировых рекордов

 

— Сразу после конца войны лаборатория получила здание у Никитских Ворот. Это было здание церкви большого вознесения. По легенде, здесь венчались Пушкин и Наталья Гончарова. На самом деле они не венчались в этой церкви. Церковь была построена, была закончена постройкой в 1858 году, а венчание было в 32-м, помните, да? Но эта церковь строилась так, как строились многие русские храмы. Старая церквушка, которая здесь стояла, и в которой действительно венчались Наталья Гончарова и Пушкин, стала одним из пределов этой церкви. В этой церкви высотой в 36 метров, был построен в то время из отечественных материалов генератор импульсных напряжений на 3 млн Вольт. Этотгенератор был поставлен вверх ногами, он не стоял на земле, его заземленный конец стоял под куполом церкви. А весь генератор опускался вниз до высоты примерно 11 метров над уровнем земли и позволял проводить в этом здании эксперименты тогда, безусловно, мирового уровня. Конец 50-х годов для лаборатории высоковольтного разряда Энергетического Института Кржижановского был эпохой мировых рекордов. Вы знаете, буквально, каждый эксперимент того времени – это был эксперимент с претензией на запись в Книгу Рекордов Гиннеса. Молодой Саша Янков — Александр Яковлевич в это время делает на первый отечественный электронно-лучевой, двухлучевой трубке, осциллограф современный импульсный, на котором удавалось регистрировать доли микросекунды и использовать этот осциллограф для регистрации длины искры. В то же время в лаборатории осваивают безиндуктивные цилиндрические шунты, и начинается погоня за совершеннейшими записями тока лидера, который в то время вела единственная активно работающая на длинной искре, женщина – Инна Гавриловна Пулавская. Она жива до сих пор. Тогда она была молодая и красивая, и корреспонденты, которые приходили в лабораторию начинали свой репортаж примерно следующим словами: «Стройная девушка, дробно постукивая каблучками, приблизилась…(и дальше по тексту)». Мы ее так и дразнили – дробно постукивая каблучками. В это же время Женя Брага – Евгений Николаевич, первый номер знаменитой восьмерки «Крыльев Советов», который выигрывал в то времяХенлейскую регату, и о которой сняли известный до сих пор фильм – «Королевская регата», делает первый отечественный электронно-оптический преобразователь с непрерывной разверткой изображения. Еще через некоторое время – это будет преобразователь с усилением света, на котором получались результаты недостижимые никем в мире в то время. Понимаете, это был еще один поток мировых рекордов. Причем ситуация была, вот, какая

 

. Он привлек самого опытного экспериментатора того времени – Женю Брагу для того, чтобы Брага такую работу ему сделал. Брага посчитал такую работу ниже своего достоинства и у него были на то основания, и позвал самого неопытного человека в лаборатории, которым был я. К тому времени я наворочал уже достаточно большое количество всяких ляпов в лаборатории и поэтому Брага ехидно заметил: «Ну, уж этот-то примитив ты сделаешь?». И я пошел делать этот примитив. Предполагалось, что в том трехметровом промежутке, который исследовали электрическая прочность должна была быть где-то на уровне 1,5 млн В. Собрали схему, настроили осциллографические записи, сняли осциллограммы, на следующий день их расшифровали и увидели – получается меньше миллиона. Я чертыхнулся, пошел в лабораторию все повторять, повторил, получил снова ту же самую цифру и с повинной головой пошел к Брага. Брага взял меня в буквальном смысле слова за шиворот, он был здоровый. И сказал: «Пойдем, я хоть тебе покажу, как надо мерить». Измерил и получил те же самые 12 кВ. Тут в лаборатории начался оборвал. Мы работали и днем и ночью. К началу лета 60-го года в журнал «Доклады Академии Наук» была послана статья, а «Доклады Академии Наук» в то время – это было что-то вроде европейского «Нэйчерл», был послан доклад, в котором было сказано, что в области сотни микросекунд электрическая прочность воздуха резко снижается, и снижается тем сильнее, чем длиннее промежуток, по которому эти измерения проводятся.

 

Импульс напряжения с пологим фронтом

Импульс напряжения с пологим фронтом

 

— Вокруг этих кривых, которые здесь на слайде показаны, началась уже другая по уровню работа в аппаратуре. Нас с вами сейчас будет интересовать в первую очередь, вот, что. А для молниезащиты это-то какое имеет отношение? То, что это имеет большую значимость для исследований изоляции – это понятно, но у нас сегодня с вами речь не об изоляции идет. У нас сегодня речь идет о молниезащите. Какое отношение к молниезащите имели все эти вещи? А имели они вот, какое отношение.

А что изменилось в исследованиях молниеотводов?

А что изменилось в исследованиях молниеотводов?

 

— На этом графике, красные линии. Красной линией показано, как меняется электрическое поле у поверхности земли, когда к ней приближается канал молнии. Все основные события происходят здесь, когда канал находится на расстоянии несколько сот метров от земли. И здесь это электрическое поле нарастает в течение сотен микросекунд. Это как раз те самые сотни микросекунд, на которых наблюдался провал электрической прочности, который был обнаружен в лаборатории высоковольтного разряда. И тогда стало понятно: скорее всего, нет смысла следовать поведению молнии, моделируя ее импульсами с коротким фронтом. Моделировать надо импульсами с фронтами более длинными. И когда эти эксперименты стали проводить, то увидели, что поведение искры при пологих фронтах, которые действительно соответствуют реальной молнии, были совершенно другими. Была придумана специальная техника, по которой такие исследования можно было проводить.

 

Зависимость результата от фронта импульса напряжения

Зависимость результата от фронта импульса напряжения

 

— Эта техника сводилась, вот, к чему. Снималось очень большое количество разрядов, которые развивались по совершенно различным траекториям так, как это показано на этом самом снимке. А потом эти траектории обрабатывалис и усреднялись. Вправо со знаком плюс, слева со знаком минус и смотрели, когда же начинается принудительное отклонение траектории к тому электроду, который стоит на земле. То есть, когда молния начинает чувствовать тот электрод, который стоит на земле. И выяснилось, что импульсов с пологим фронтом, которые близки к молнии и у импульсов с крутым фронтом это происходит совершенно различным образом. Крутой импульс чувствует электрод почти сразу, а пологий импульс безразличен к электроду, и только потом начинается эта целенаправленное отклонение. Стало понятно, что исследовать поведение молнии в моделях, где находятся такие искровые каналы, нельзя. Что моделирование молнии – это очень сложное явление. И это сложное явление практически совершенно не исследуемо. Тогда возник вопрос. А что мы знаем вообще о лидере молнии? И о лидере длины искры? И есть ли у нас какие-то количественные представления, теория, на которую мы можем опираться по молниезащите? Эта задача, о моделировании лидера молнии, она решалась не один десяток лет. Знаете, я хочу сделать очень небольшое отступление и обратиться к тесту, который прекрасно знают психологи. Психологи собирают группу людей и предлагают им порешать задачи на спичках. На стол высыпаются спички и начинают решать такие задачи. Сделайте из 20 спичек столько-то квадратов. Переставьте 3 спички, чтобы вместо 10 квадратов получилось 5. Там добавьте 2 спички, чтобы у вас получилось не 10 квадратов, а 15. И люди с увлечением решают на столе эти самые задачи. Когда таких задач нарешается много, и у людей появляется практика, как их решать. Им предлагают следующую задачу.

 

 

Лидерный механизм искры и молнии

Лидерный механизм искры и молнии

 

— Энергии в электрическом поле сколько угодно. Но оказывается, что такой прорастающий канал, который является каналом лидером, не может взять энергию из электрического поля большую, чем запасет его собственная емкость.

Следующая страница >>
слайды с 13 по 24


Полезные материалы для проектировщиков: