Методы активного воздействия на молнию. Насколько эффективны и целесообразны активные молниеотводы?

Тэги: молниезащита заземление инструкции и рекомендации активная молниезащита
Внимание!

Восьмой вебинар из серии "Заземление и молниезащита: вопросы и проблемы, возникающие при проектировании"

(прошёл 18 марта 2015 в 11:00 по МСК)

Насколько активны активные молниеотводы?

Можно ли управлять точкой удара молнии? На этот вопрос любой специалист, не задумываясь, даст положительный ответ. Задумается он, когда вопрос будет уточнен ''…в целях практической молниезащиты." Вот теперь придется учитывать стоимость формирования управляющих воздействий, их надежность, эксплуатационные расходы и совместимость с технологическими функциями защищаемого объекта.

Физика управляющих воздействий на молнию ясна. Точку удара молнии определяет канал встречного лидера, который стартует от наземного сооружения. Чтобы добиться эффективной защиты от прямых ударов молнии, надо либо как можно раньше инициировать встречный лидер от молниеотвода, либо затормозить его от защищаемого объекта. Известны и требуемые уровни управляющих воздействий. К сожалению, они реализуемы в исследовательских целях, но мало пригодны для массовой практической молниезащиты. Вот почему ни в России, ни в подавляющем большинстве технически развитых стран нормативные документы по молниезащите не ориентируются на активные молниеотводы.

Тем не менее, реклама активных молниеотводов ведется всеми дозволенными и недозволенными методами. В рекламный процесс, к сожалению, вовлекаются даже директивные органы нашей страны. В таком виде коммерческое мероприятие становится общественно опасным и нуждается в сопротивлении.

На вебинаре планируется дать подробный анализ механизмов управляющих воздействий на молнию, привести фактические данные об их реальных возможностях, полученные в ходе полевых наблюдений, лабораторных исследований и теоретического рассмотрения.

Предполагается также рассмотреть последствия возможного применения активных молниеотводов (в т.ч. - наиболее известных ESE-молниеотводов) на реальных промышленных объектах.

В заключение будут рассмотрены возможности совмещения активных молниеотводов с отечественной нормативной базой по молниезащите и оценены перспективы намечаемых разработок.

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

Текст вебинара. Страница 1

Быстрая навигация по слайдам:

Примерное время чтения: 50 минут

Насколько эффективны и целесообразны активные молниеотводы

Насколько эффективны и целесообразны активные молниеотводы

— Добрый день, уважаемые коллеги! Я уже восьмой раз сижу перед веб-камерой и общаюсь с вами. На этот раз мы намерены говорить об активных молниеотводах. И как всегда в этом случае мне будет помогать моя добрая помощница Надежда, с которой я все свои надежды общения с вами связываю.

— Всем добрый день, уважаемые коллеги! Вас приветствует проект ZANDZ с нашим очередным вебинаром. Я прошу вас написать в чате, как нас слышно и видно и передаю слову уважаемому Эдуарду Мееровичу.

— Вы знаете, подготовка к этому семинару была очень тяжелой, я даже двойной срок попросил у организаторов, потому что меня действительно мучили все время сомнения. Сомнения двух сортов. Первое – это в какой степени, я имею право такой семинар проводить. Тут дело вот в чем. Профессиональная подготовка она меня не очень волновала, потому что примерно 25 лет я сидел в экспериментальной лаборатории занимался длинной и скорой молнией. Примерно такое же время занимался теоретическим исследованием молнии и практической молниезащитой и поэтому материал мне знаком. Смущало меня вот какое обстоятельство. Я с самого начала обосновано считал и продолжаю себя считать противником активных молниеотводов. И у меня было такое сомнение, а имею ли я право говорить, то что я думаю и выкладывать это вам, потому что выкладывание хочу я этого или не хочу, оно все равно в какой-то степени тенденциозным. Тем не менее, я решил этот семинар проводить для того, чтобы вы услышали, ту аргументацию, которая есть у противников активных молниеотводов. И решил я это делать и потому что организаторы семинар, как я знаю договорились с представителями одной из фирм, выпускающая и продающая активные молниеотводы, которые готовы вложить свои соображения тоже. Так что, наверное, будет дискуссия и может быть даже очень интересная дискуссия. И у меня есть вот какая просьба. Пожалуйста, если можно дайте мне возможность отвечать на основные вопросы в конце для того, чтобы я не прерывал очень трудное для меня изложение. А если вопрос будет уж очень острый, то Надежда его наверняка отловит и наверняка меня прервет. Теперь, я перехожу к делу.

Задача семинара

Задача семинара

Что я хочу разобрать? Я хочу разобрать вот какие вещи. Можно ли управлять молнией? И если можно, то как? А если известно как, то годится это или не годится для того, чтобы управлять молнией в интересах молниезащиты? Это главный вопрос, на который надо ответить, потому что, если любого специалиста спросят, можно ли управлять молнией? Он наверняка ответит: «Да, конечно». И никаких сомнений на этот счет нет.

Нормативная база

Нормативная база

Вопрос заключается в другом. Можно ли управлять молнией в интересах массовой молниезащиты?

Можно ли управлять траекторией молнии?

Можно ли управлять траекторией молнии?

Управлять молнией не сложно. Не сложно из-за того, что с момента рождения нашей Вселенной ни один удар молнии никогда в жизни не ударял в никакой объект, который находится на поверхности земли. Всегда ситуация была вот какая. От какого-то возвышающегося сооружения на встречу молнии развивается хорошо проводящий ионизованный канал, который мы специалисты по молнии называем встречным лидером. Этот встречный лидер может развиваться на довольно приличную длину. Скажем, от молниеотвода высотой 30 метров, он может развиваться тоже примерно на такую длину, увеличивая высоту молниеотводов фактически. Встреча канала молнии и встречного лидера – это и есть удар молнии в объект. Значит, проблема управления удара молнии сводится к проблеме управления встречным лидером. И вообще говоря, специалисты не видят в этом деле никаких проблем, вот по какой причине. Канал встречного лидера развивается в обычных электрических полях, которые легко достигаются в лабораторных условиях. В лаборатории существуют источники напряжения, которые готовы такие поля сделать. Лабораторные источники напряжения в состоянии создавать каналы встречного лидера длиной в сотню метров. И все это естественно можно использовать для того, чтобы управлять точкой удара молнии. Стало быть, проблема заключается не в этом.

Основные фазы встречного разряда

Основные фазы встречного разряда

Проблема заключается в том, чтобы сделать устройство, пригодное для практической молниезащитой. А с чего здесь надо начинать в этом устройстве? Надо начинать с денег, потому что сегодня стоимость внешней молниезащиты – это доля % от стоимости объекта, который защищается. И никто не захочет платить больше. И первый вопрос, а сможем ли мы сделать управляющее устройство по дешевке? И это вопрос очень серьезный. Второй вопрос, который приходится обсуждать – это вопрос такой. Если мы сделаем такие устройства, будет ли у них та надежность, которая нужна современной молниезащите? А современная молниезащита оперируется надежностью на уровне 0,999. Спрашивается, будут ли наши управляющие устройства работать с надежность в 0,999? Это новый вопрос. Следующий вопрос. Если мы сделаем эти устройства и готовы их поставлять. Спрашивается, а нужны ли какие-нибудь будут эксплуатационные расходы? И нужно ли вообще заниматься их эксплуатационным управлением этими самыми управляющими устройствами? Если управление ими достаточно серьезное, то надеяться на их массовое применение вполне возможно. И, наконец, последнее, о чем говорить приходится далеко не всегда. Знаете, речь идет о быстродействии, речь идет о быстродействии устройств, потому что от управления молнией требуется достаточно большое быстродействие. В чем дело? Дело в простом. Дело в том, что сегодня известны и обобщены данные о разрядах молнии, которые представлены в мире Международной Комиссии по большим электрическим сетям - СИГРЭ.

Эта Комиссия издала доклад, которую они скромно назвали брошюрой. В этой брошюре обобщены данные по молнии. И если вы эти данные пролистаете, вы увидите, что примерно 70 % всех разрядов молнии многокомпонентны. Это значит в одной вспышке молнии может идти несколько электрических разрядов. В среднем – 3 - 5, но дело заключается в том, что примерно половина этих разрядов не повторяет траекторию первого. Разряды идут по другим траекториям. Они отличаются по траекториям. И с позиции молниезащиты, каждый такой компонент – это новая вспышка молнии. А перехватывать их надо всех. Это значит, что устройство должно быть готово к повторной работе для каждого следующего компонента, которые идут с шагом меньше 1/10 секунды. Это все вместе и заставляет специалистов по молнии задуматься, а можно ли сделать активную молниезащиту? С этих позиций давайте и будем смотреть на то, что продается на рынке молниезащитной продукции. Этот момент важный и я хочу на него посмотреть вот с каких позиций. С чего начинается встречный разряд? Встречный разряд начинается с короны, которую на Западе очень часто любят называть глукорона. У нас ее называют лавинной короной, бесстримерной короной. Не важно, как ее называют, важно, что собой представляет это устройство, это явление. Это слабое свечение у вершины молниеотвода или у вершины объекта, который ни в коем случае не прорастает, и который ни в коем случае не превращается в канал, перехватывающий молнии. Это не происходит вот по какой причине. Для того, чтобы канал рос, нужно, чтобы эта самая корона, которая возникает в электрическом поле, которая определяется формулой, это примерно где-нибудь на уровне 30 кВ на сантиметр. Нужно, чтобы эта корона могла разогревать воздух в своем объеме, потому что прорастать может только горячий канал, который сохраняет высокую проводимость. А чтобы канал сохранял высокую проходимость, нужно, чтобы там существовали электроны. А электроны, образованные в результате ионизации, гибнут в нормальном не нагретом воздухе, примерно за 1/10 секунды. Нужно нагреть зону ионизации, а чтобы нагреть зону ионизации надо перейти от такой бесстримерной короны к следующей форме развития – это к так называемому, стримерному разряду, который представляет собой развернутую метелку ионизованных тонких каналов. Эти самые тонкие каналы, кстати сказать, тоже не могут нагреться, потому что энергии не хватает, но они не могут нагреть свое основание – так, называемый стебель. И для того, чтобы этот нагрев происходил, корона должна быть достаточной мощной. Стримерная вспышка должна использовать напряжение где-нибудь на уровне почти 500 000 В. Только после этого в канале может развиться прорастающий канал. Вот какова сложная последовательность событий.

Легко ли перевести корону в стриммерную форму?

Легко ли перевести корону в стриммерную форму?

Теперь, а когда от обычной короны можно перейти к стримерной вспышке? Это происходит при достаточно большом токе короны. И этот ток короны, он хорошо известен, он оценивается и этот ток находится на уровне где-нибудь около 10 мА. Если вы посмотрите затем, как коронирует вершина молниеотвода. У меня показано, как растет ток короны от молниеотвода высотой 50 м – высокий молниеотвод. В электрическом поле тоже очень сильно, где-нибудь 50 кВ/м. Поле создается грозовым облаком не всегда. И тем не менее ток, который здесь появляется, он примерно на порядок меньше того тока, который нужен для стримерного перехода. Вопрос: можно ли этому помочь? И здесь оказывается такая вещь. Помочь можно очень легко. Достаточно подбросить потенциал молниеотвода, например на относительно небольшую величину для того, чтобы заставить протекать ток, нужный для стримерного перехода. Оказывается, если вы сделает источник, примерно, на 10 кВ, всего лишь на всего и сделаете фронт у этого источника в 1 мкс, то вы сделаете ток, который родит стримерную вспышку. Смотрите, я лью сейчас воду на мельницу для тех, кто создает активные молниеотводы. Потому что активные молниеотводы работают на том принципе, что их внутренний источник создает относительно не очень высокое напряжение, подбрасывает потенциал головки молниеотвода и от туда будет возникать стримерный процесс, который в конечном итоге может привести к зарождению встречного лидера.

Когда родится жизнеспособный лидер?

Когда родится жизнеспособный лидер?

Но, давайте, не будем торопиться с оценкой активных молниеотводов. Очень много и очень подробно мы занимались тем, что будет, если я запущу встречный лидер. Что будет с ним? Сможет ли он развиваться навстречу молнии или он пройдя очень коротенькое расстояние прекратит свое развитие. Для этой цели была создана очень серьезная расчетная модель. На этой расчетной модели рассчитывались десятки, сотни вариантов различных и типичные примеры таких расчетов, я хочу показать вам. Я снова буду оперировать очень высоким молниеотводом 50 метровым и снова буду считать, что электрическое поле в атмосфере очень большое, потому что среднее значение больше того, с которым я работаю примерно раза в 2. И буду считать, что у меня запущен лидер, и что этот встречный лидер поддерживается импульсным напряжением большой длительности в 500 мкс. Теперь буду смотреть, что привязано к управляющему воздействию? Вот, управляющее воздействие в 100 кВ, лидер вырос на длину 2 метра и прекратил свое развитие. Толка от такого лидера немного. Молния такое увеличение высоты молниеотвода просто даже и не почувствует. Взял, увеличил вдвое – 200 кВ, теперь лидер вырос примерно на 3,5 метра и снова прекратил свое развитие. Взял 300 кВ, лидер вырос до 5 метров, но снова прекратил свое развитие. Энергии не хватает.

Длительность импульса

Длительность импульса

Теперь другой момент, он не менее важен. А какая нужна длительность импульса управляющего для того, чтобы лидер, который я толкнул, он не остановился и пошел навстречу молнии? Теперь я сделал следующую вещь в расчетах. Я в той же самой ситуации, взял напряжение, управляющее в 500 кВ, а длительности импульса, которое создает в 500 кВ, существенно начал менять. Начал я с 50 мкс – вообще не маленькая длительность импульса, тем не менее, при такой длительности канал встречного лидера прошел около 2 м и встал. Он больше идти не может. Делаю 100 мкс – канал вырастает еще на пару метров. И после того, как я дошел до 500 мкс, у меня канал прошел сквозь зону объемного заряда короны, вырвался в свободное пространство и начал двигаться навстречу каналу молнии. То есть выводы, которые я сейчас делаю, они в общем очень печальные. Выводы такие – управлять молнией можно, только по дешевке ей управлять трудно. Потому что сделать источник на несколько сот кВ длительностью в несколько сот мкс, стоит очень приличных денег.

Энергоемкость управляющего источника

Энергоемкость управляющего источника

Давайте посмотрим, что это должен быть за источник? Какой он по своим электротехническим характеристикам должен быть? Что питает этот источник? Он питает канал лидера. Спрашивается, какой ток течет в канале лидера? На начальном участке развития, ток течет на уровне долей Ампера, грубо говоря 0,5 А. Если такой канал будет расти с током 0,5 А в течение 600 мкс, то он будет использовать заряд, который находится на уровне 0,3 мКл. Значит такой заряд, надо иметь на емкости, но мне надо длительность импульса сохранять. Длительность импульса я оцениваю по уровню 0,5. Значит за это время, накопительная емкость, которая питает канал, должна иметь заряд примерно вдвое больше. Я и взял этот самый заряд вдвое больший. И теперь, если я поделю этот заряд на то напряжение, с которым я работаю, а работаю я с напряжением 500 кВ, получается, что емкость источника – это 1000 пкФ. Теперь специалисты, а здесь наверняка на семинаре специалисты. Специалисты знают, как выглядит емкость в 1000 пкФ при напряжении 500 кВ. Какие размеры у этой емкости? А теперь вспомните и сравните эти размеры с размерами того устройства, которые продаются. Емкость в 500 пкФ, в 1000 пкФ напряжением в 500 кВ ни в какой активный молниеотвод не влезет ни по каким обстоятельствам.

Реализация управляющего источника

Реализация управляющего источника

Более того, эту емкость нечем зарядить, потому что ведь никто не хочет у активного молниеотвода делать специальное зарядное устройство. Для этой цели хотят использовать электрическое поле атмосферы. Для того, чтобы зарядить до 500 кВ электрическое поле атмосферы, сделать этого практически невозможно, потому что напряжения такого не будет.

Следующая страница >>
слайды с 11 по 22 + первый блок вопросов


Полезные материалы для проектировщиков: