"Зелёная молниезащита" — современная система молниезащиты, успешно применяемая по всему миру на самых разных объектах: на нефтехранилищах, аэропортах, заводах, электростанциях, атомных электростанциях, морских платформах, телекоммуникационных башнях и др. Проектировщики России и стран СНГ проявляют все больший интерес к этой системе, но в попытках разобраться с её особенностями получают ответы далеко не на все вопросы. Данная статья профессора Эдуарда Мееровича Базеляна призвана ответить, пожалуй, на главный вопрос об устройстве "зелёная молниезащита" — действительно ли она эффективно работает?
Э. М. Базелян, д.т.н., профессор;
Энергетический институт имени Г.М. Кржижановского, г. Москва;
признанный отечественный Эксперт в области заземления и молниезащиты
У этой задачи два аспекта. Первый касается работы "зелёной молниезащиты" как обычного молниеотвода по отношению к укрытому им объекту. В этом отношении он безупречен. Объект, целиком укрытый металлическими конструкциями "зелёной молниезащиты", абсолютно защищён от прямых ударов молнии. Другой вопрос связан с подавлением ударов молнии непосредственно в устройстве "зелёная молниезащита". Сегодня это очень актуальная задача, потому удар молнии в устройство "зелёная молниезащита" будет сопровождаться распространением тока молнии по его металлоконструкциям, что станет причиной возбуждения ЭДС магнитной индукции в коммуникациях защищаемого объекта. Совершенно очевидно, что здесь об абсолютной надёжности речи быть не может, потому что молния может ударить в устройство "зелёная молниезащита", не взирая на отсутствие встречного лидера, подобно тому как она ударяет в любую другую ничем не выделяющуюся точку на плоской поверхности земли. Да и сам факт подавления встречного лидера скорее всего тоже осуществляется не со 100%-ной вероятностью. Чем меньше будет горизонтальное смещение канала лидера нисходящей молнии относительно вертикальной оси устройства "зелёная молниезащита", тем значительнее она усилит электрическое поле при своём снижении. В конце концов поле может превысить порог ионизации (около 3×106 В/м) непосредственно на всей поверхности устройства "зелёная молниезащита" радиусом в несколько метров. В таких условиях стримерная вспышка неизбежна и наверняка послужит инициатором встречного лидера. Коронирующие иглы перестанут выполнять свою защитную функцию.
Большая серия компьютерных расчётов позволила выяснить условия, при которых это становится возможным, и оценить радиальное смещение, способное направить нисходящий лидер к поверхности устройства "зелёная молниезащита". Оно оказалось значительно меньше радиуса стягивания молний к обычному сооружению такой же высоты, что и привело к резкому снижению числа ударов молнии. Расчётная кратность этого снижения в зависимости от радиуса устройства "зелёная молниезащита" представлена на рис. 1. Можно видеть. что уже при радиусе в 3 м число прямых ударов молнии снижается на порядок величины. При этом важно вот какое обстоятельство, "зелёная молниезащита" не перехватывает на себя молнии, как традиционный молниеотвод, исключая таким образом прямой удар в защищаемый объект, но устраняет саму возможность их притяжения к себе. Ни по защищаемому объекту, ни по металлоконструкциям устройства "зелёная молниезащита" ток молнии не протекает.
Рис. 1
К оценке защитного действия "зелёной молниезащиты"
В результате соответственно сокращается число опасных воздействий электромагнитного поля от близких ударов молнии. Традиционный молниеотвод принципиально не способен на такое.
Рис. 2
Зависимость эквивалентного радиуса стягивания молний от высоты объекта
Нужно отметить ещё одно принципиальное свойство "зелёной молниезащиты", которым не обладают обычные наземные структуры. По существующим оценкам эквивалентный радиус, определяющий площадь стягивания молний Rэкв, приблизительно пропорционален высоте объекта h (часто оперируют выражением Rэкв,≈3h). Для "зелёной молниезащиты" зависимость такого рода очень слабая (рис. 2). Это обстоятельство делает "зелёную молниезащиту" эффективным средством защиты сосредоточенных высотных сооружений. Например, установка устройства "зелёной молниезащиты" радиусом 5 м над Останкинской телебашней позволила бы уменьшить Rэкв, от 1600 до 250 м, что сократило бы число ее поражений молниями примерно в 40 раз.
Невыясненные проблемы
Нельзя сказать, что "зелёная молниезащита" проследовала победным маршем по мировому рынку молниезащитной продукции, но все равно число эксплуатируемых конструкций давно исчисляется тысячами образцов. Стоит остановиться на двух основных причинах не слишком быстрого внедрения "зелёной молниезащиты" в практическую молниезащиту. Первая из них, возможно главная, не имеет никакого отношения к технике и связана только с психологией человека. В своё время в научной литературе было немало поспешных рецензий хорошо известных специалистов. Они постарались поскорее забыть о своих не всегда обоснованных суждениях, но сделали это молча, не поясняя публично своего отношения к реальному положению дела. Вторая причина непосредственно связана с особенностями устройства "зелёная молниезащита". Сферой его применения оказались в основном сосредоточенные сооружения – антенные мачты, высокие опоры осветительных систем, башни и тому подобные объекты большой высоты. В отношении них устройство "зелёная молниезащита" работает в роли зонтика. Она закрывает объект от прямых ударов молнии. При этом выполняется ещё одна функция, очень важная в век микропроцессорной техники. "Зелёная молниезащита" становится шапкой-невидимкой, не позволяя молнии различать себя и защищаемый объект со сколько-нибудь значительного расстояния. Тем самым в значительной мере устраняются близкие удары молнии и последствия их опасных электромагнитных воздействий. Однако, к "зелёной молниезащите" пока не удаётся применить понятие зоны защиты. Известно, что укрытый объект идеально защищён от прямого удара, но на каком расстоянии от устройства "зелёная молниезащита" продолжается защитное действие, пока неизвестно. Этот вопрос нуждается в детальном исследовании, которое пока даже не планировалось.
Есть и ещё одно обстоятельство, нуждающееся в экспериментальной проверке. Речь идет об установке защитной системы над высотными сооружениями. Можно ожидать, что механизм действия объемного заряда короны окажется принципиально различным в отношении нисходящих и существенно более частых восходящих молний. Ограничиваться только компьютерным экспериментом трудно, нужны контрольные полевые наблюдения. Нельзя сказать, что они окажутся очень затратными. Установка даже одного устройства "зелёная молниезащита" над высотным сооружением и наблюдение за ним в течение единственного грозового сезона даст вполне объективную оценку эффективности защиты. Действительно, при высоте около 300 м сооружение должно принять на себя ежегодно примерно 10 молний. Различие между 10 и 1 слишком заметно, чтобы убедиться в работе "зелёной молниезащиты" даже при помощи самых простых средств контроля числа ударов молнии.
Э. М. Базелян, д.т.н., профессор
Энергетический институт имени Г.М. Кржижановского, г. Москва
Смотрите также: