МОЛНИЕОТВОД

Область техники
Полезная модель относится к конструкциям внешних молниеотводов, предназначенных для защиты от поражения молнией, а также к области исследования физических свойств вещества, в частности к исследованию процессов в плазме и в газоразрядных приборах, между анодом и катодом, в которых при фиксированном расстоянии между ними подается напряжение. Заявляемая полезная модель может быть использована при создании молниеотводов в местах наиболее вероятного опасного поражения, например на автозаправочных станциях. Разряды молнии несут в себе большую угрозу для людей, зданий, сооружений, инженерных коммуникаций. Попадание молнии в наземный объект вызывает протекание высоких значений токов (10-400 кА), что может привести к серьезным последствиям, которые в современных условиях связаны либо с повреждением дорогостоящего оборудования, либо с возникновением пожаров и разрушением зданий и сооружений. Известные в настоящее время средства молниезащиты можно подразделить на две группы: пассивные (стержневые, тросовые, броневые системы молниеотводов) и активные (молниеотводы, основанные на ионном и лазерном излучении).
Уровень техники
Из уровня техники известно устройство молниеотвода (громоотвода) (см., например, И.С. Стекольников. Молния и гром. ОГИЗ. Госиздат технико-теоретической литературы. М.-Л. 1947), предложенное впервые в 1753 году Бенджамином Франклином.
Известный молниеотвод включает тонкий металлический стрежень в качестве токоприемника, с одной стороны заглубленный в землю, а с другой стороны возвышающийся над объектом защиты от молнии. К стержню закреплена заостренная медная проволока. При попадании молнии в острие проволоки заряд по металлическому стержню отводится в землю. Острие проволоки, помещенное в сильное электрическое поле, вызывает ионизацию воздуха в окружающем пространстве. Его принцип действия заключается в создании двух каналов, проводящих генерируемые ионы - отрицательного, от облака к земле и положительного, с некоторым запаздыванием, от острия молниеотвода в направлении облака, причем, чем выше они пересекаются, тем выше эффективность молниеотвода. Изобретение широко используется повсеместно, однако, обладает определенным рядом недостатков.
Недостатком использования этого изобретения является образование на поверхности Земли 5-10 метровой области растекания электрических зарядов вокруг места "удара" молнии из заряженного облака, опасной для здоровья и жизни людей и животных (http://alau.kz/kak-vesti-sebja-vo-vremja-grozy-infografika/), см. фиг. 1.
Раскрытая в многочисленных публикациях конструкция молниеотвода Франклина с различными вариациями используется до настоящего времени.
Так, например, известен сетчатый молниеотвод (патент на изобретение РФ №2352042), в котором молниеприемник выполнен в виде мелкоячеистой сетки с размером ячейки 1×1 м из грозозащитных тросов диаметром не менее 6 мм, подвешенной не менее, чем на четырех опорах высотой 35-50 м, причем каждый из не менее четырех токоотводящих спусков выполнен из гибкого троса с проводимостью, равной проводимости грозозащитного троса, при этом токоотводящий спуск одновременно служит для подъема сетки на высоту, для чего каждый трос переброшен через установленный на вершине каждой опоры усиленный стальной блок с вращающимся роликом, при этом соединения в узлах сетки и соединения токоотводящего спуска с сеткой и с заземлителем выполнены болтовыми с фигурными крестообразными токопроводящими накладками для повышения проводимости, а стальной блок имеет размеры и установлен с учетом динамических нагрузок, возникающих при подъеме сетки на опоры.
Известная конструкция представляется достаточно громоздкой и конструктивно сложной, что снижает ее надежность в эксплуатации.
Известен гибридный молниеотвод (патент на полезную модель РФ №169660), состоящий из центрального стержня-молниеприемника (токоприемника) и четырех боковых заостренных стержней, попарно симметричных относительно центрального. Все стержни сварены друг с другом и соединены с токопроводом. Боковые стержни имеют заостренные вершины, на которых во время грозовой деятельности сильно усиливается внешнее электрическое поле, что приводит к раннему появлению коронного разряда, вследствие этого индуцированные заряды не могут накапливаться на защищаемом объекте и вероятность его поражения разрядом молнии уменьшается.
Описание известной конструкции молниеотвода не содержит упоминание о каких-либо особенностях выполнения заземлителя. Между тем, от конструкции заземлителя существенным образом зависит эффективность молниеотвода и безопасность эксплуатации сооружений с точки зрения поражения зарядом грозового облака.
Раскрытие полезной модели
Техническая проблема, решаемая за счет заявляемой полезной модели, заключается в растекании электрического заряда по поверхности Земли при возникновении разряда молнии между электродами: грозовое облако и Земля, что влияет на безопасность эксплуатации сооружений в период грозового разряда, а также безопасность людей, находящихся вблизи заземлителя молниеотвода.
Технический результат, достигаемый при использовании заявляемой полезной модели, заключается в обеспечении безопасности эксплуатации объектов охраны во время грозовых разрядов за счет устранения каналов растекания электрического заряда на проводящей поверхности электродов и фиксации положения разрядного канала на них в импульсном разряде при больших разрядных токах.
Поставленная задача решается тем, что в молниеотводе, включающем соединенные в технологическом порядке токоприемник, выполненный с возможностью закрепления на объекте охраны, токопровод, представляющий собой металлический проводник, один конец которого выполнен с возможностью закрепления на токоприемнике, и заземлитель, согласно техническому решению, заземлитель выполнен в виде полого металлического цилиндра, при монтаже имеющего наземную и подземную части, при этом другой конец токопровода размещен внутри полости металлического цилиндра в его подземной части с обеспечением возможности касания земли при монтаже. Высота наземной части металлического цилиндра составляет 0,3-0,7 м, а высота подземной части составляет 1,4-1,7 м, при этом диаметр цилиндра составляет 0,1-0,2 м.
Взрыв проволочки между электродами позволяет имитировать процессы, происходящие при образовании молнии. В нашем случае в качестве такой проволочки выступает металлический проводник - токопровод. Возникающий при разряде молнии ток плавит и испаряет металлический проводник (токопровод), который размещен между электродами, контактируя с ними (в нашем случае такими электродами выступают грозовое облако и Земля). Расстояние между электродами выбрано таким, при котором разряд без проволоки не образуется. Между электродами создаются условия для лавинного пробоя разрядного промежутка, возникающего при наличии в воздухе паров испаряющейся проволочки. На поверхности электродов при наличии избыточного объемного пространственного заряда электронов возникают проводящие электрический ток каналы. Размещение на поверхности электрода (в нашем случае, Земли) металлического цилиндра (металлической трубы) позволяет ликвидировать электрические каналы, возникающие при больших разрядных токах, а также фиксировать положение разрядного канала на электроде (земле) в импульсном разряде. Достигнутый в изобретении эффект позволяет концентрировать энергию плазмы в локальных областях поверхности электродов, в частности, в пределах внутреннего объема металлической трубы.
Краткое описание чертежей
Заявляемая полезная модель поясняется следующими изображениями:
На фиг. 1 представлено изображение, упомянутое при описании аналогов, характеризующее эффект растекания заряда при попадании молнии в дерево.
На фиг. 2. показаны следы растекания электрического заряда по поверхности Земли.
На фиг. 3 схематично изображен принцип реализации полезной модели.
Позициями на чертежах обозначены:
1 - катод,
2 - анод,
3 - металлическая проволочка,
4 - металлический цилиндр,
5 - блок подачи напряжения на электроды,
6 - переменное сопротивление.
Физические процессы, лежащие в основе заявляемой полезной модели, заключаются в следующем. При взрыве металлической проволочки вокруг точки касания проволочки и одного из электродов при достаточно большом разрядном токе образуется избыточный объемный пространственный заряд электронов и вытекающий из него тепловой кумулятивный поток электронов, вдоль которого образуется разрядный канал. При размещении на поверхности электрода вокруг точки касания его и проволочки замкнутого металлического контура происходит зарядка поверхности контура оседающими на нем электронами. За пределы металлического контура электроны не проникают, и там не образуется кумулятивный тепловой поток электронов. Тепловой поток может образоваться только внутри контура, и вдоль него перемещается торец разрядного канала. Когда металлический замкнутый контур выбирается в виде кольца (или цилиндра), а касание одного из электродов с проволочкой на конце второго происходит в центре кольца, попавшие на поверхность цилиндра электроны создают симметричное электрическое поле, тормозящее их движение в потоке, и тепловые кумулятивные каналы внутри цилиндра также не образуются.
Аналогичная картина происходит не только на катоде, но и на аноде. При небольших размерах поверхности анода и больших разрядных токах на анод уходят не все электроны, внутренняя поверхность металлического цилиндра заряжается отрицательно, и это препятствует растеканию заряда за пределы кольца и фиксирует положение торца разрядного канала. Электрический заряд аккумулируется стенками металлической трубы и далее уходит в Землю.
Осуществление полезной модели
Заявляемая полезная модель представляет собой устройство, монтируемое вблизи объекта охраны для обеспечения безопасности эксплуатации сооружений в период грозовых разрядов. Устройство включает токоприемник, токопровод и полый заземлитель. Токоприемник, выполненный в виде стандартно используемого заостренного металлического штыря, закрепляют в верхней точке объекта охраны таким образом, что его заостренный конец возвышается над верхней точкой объекта охраны. К токоприемнику закреплен один конец токопровода, представляющего собой металлическую проволочку. Длина такой проволочки выбирается, исходя из габаритов объекта охраны и удаленности размещения заземлителя. Другой конец проволочки размещен с касанием земли внутри полости заземлителя, который представляет собой металлический полый цилиндр, установленный в землю с заглублением таким образом, что формируется подземная часть заземлителя и наземная. Важным является тот факт, что размещение токопровода внутри полости заземлителя обеспечивает аккумулирование заряда во внутреннем объеме цилиндра. При этом наиболее эффективным вариантом исполнения является обеспечение касания токопроводом земли в центре окружности, описанной стенкой металлического цилиндра.
5
1/2
1
В случае грозового разряда между облаком и Землей токи в молнии достигают I=2*10 А. Для решения поставленной технической проблемы, в частности, для устранения токового канала на поверхности Земли, металлический цилиндр, окружающий место контакта, углубленного в землю токопровода и Земли, и имеющий контакт с Землей, исходя из законов подобия, [см. например, Н.А. Мискинова и Б.Н. Швилкин. Физическая электроника в задачах. Книжный дом «ЛИБРОКОМ». М. 2013], должен иметь радиус R=(I/i)r, что составляет около 0,1-0,2 м, при этом r - радиус использованного в опытах металлического кольца при токе i=100 А. Такой цилиндр позволит предотвратить растекание электрического заряда по поверхности Земли при возникновении разряда молнии между электродами: грозовое облако и Земля. Остальные размеры металлического цилиндра (трубы) находят из известных размеров металлической шины заземления вокруг строений. Высота надземной части этой трубы, окружающей точку контакта токоотвода и Земли, имеет размеры: высота Н=hL/2πR, что составляет около 0,3-0,7 м (при длине шины L=10 м и ширине h=0,03 м высота составит 0,5 м), толщина стенки трубы равна толщине шины заземляющего токопровода (порядка 0,004 м). Длина подземной части трубы Н, как и заглубленной в почву части токопровода, обеспечивающие их надежный контакт с земляным грунтом, составляют 1,4-1,7 м (стандартное заглубление заземляющего электрода составляет 1,5 м и является оптимальной величиной). Подземная часть металлической трубы служит заземлителем для растекающегося по почве заряда, возникающего в традиционном молниеотводе, создающего опасную для живых существ зону, продольный размер которой составляет не менее 5 м. Растекающийся по Земле электрический заряд аккумулируется стенками металлической трубы и далее уходит по стенкам трубы в почву.
Пример конкретного выполнения
Заявляемая полезная модель реализована при проведении модельного эксперимента.
Напряжение для создания разряда между электродами (имитация молнии) подавалось от выпрямительного агрегата «Дельфин» 5 с выпрямленным напряжением 220 В. Разрядный ток в максимуме менялся в области 30-100 А с помощью переменного сопротивления 6. Длительность разряда составила около 0,1 с. В качестве электрода (катод) использовались металлы: Cu, Ni, Fe, Ti, латунь, нержавеющая сталь и другие. Использовали проволочки разных металлов и сплавов: Cu, Ni, Fe, W и другие. Диаметр проволочек менялся в интервале 0,04-0,1 мм, их длина варьировалась в интервале от 10 до 30 мм. Использовались железные, медные и алюминиевые цилиндры. Внутренний диаметр их изменялся от 4 до 10 мм, высота - от 0,1 до 5 мм, толщина - от 0,2 до 5 мм.
В отдельных экспериментах в качестве анода использована квадратная пластина со стороной 12 мм из трансформаторного железа, в качестве катода - пластинка из того же металла длиной 100 мм и шириной 15 мм. При осуществлении импульсного дугового разряда с расстоянием между катодом и анодом 20 мм использовалась железная проволочка диаметром 0,04 мм. Внутренний диаметр металлического цилиндра 2 r=5 мм, его высота составляла 0,1 мм и 2 мм, толщина соответственно 0,5 и 3 мм. Максимальный ток в импульсе i=100 А.
Схема осуществления опыта показана на фиг. 3. Между электродами 1 и 2 при подаче напряжения между ними и взрыве проволочки 3 возникает импульсный дуговой разряд. В случае, если точка касания катода и проволочки окружена металлическим цилиндром 4, расположенным на поверхности катода, струя заряженных частиц и образованный ей канал не возникают, а торец разрядного канала ограничивается цилиндром 4. Аналогичная картина обнаруживается на поверхности анода внутри расположенного на нем металлического цилиндра при больших разрядных токах (более 100 А), что позволяет спроецировать описанный эффект на конструкцию молниеотвода. В обоих случаях электрический заряд не выходит за поверхность металлического кольца, что существенно сокращает площадь растекания заряда.