Гибридный молниеотвод

Полезная модель относится к устройствам для защиты от повреждений объектов различного назначения при интенсивном воздействии атмосферного электричества, в частности, к средствам молниезащиты зданий и сооружений, а также электроэнергетического оборудования, находящегося на открытом воздухе.
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 [1]. Известные в настоящее время средства молниезащиты можно подразделить на две группы [1-3]: пассивные (стержневые, тросовые, броневые системы молниеотводов) и активные (молниеотводы, основанные на ионном и лазерном излучении [1]). Однако существуют системы молниезащиты, которые можно отнести как к первой, так и ко второй группе. К таким системам относятся молниеотводы, использующие радиоактивное излучение. Такие молниеотводы можно считать пассивными, так как радиоактивное излучение на вершине молниеприемника способствует инициированию встречного лидера молнии, что повышает эффективность защиты. Эти молниеотводы можно также отнести к активным системам, так как радиоактивное излучение способствует повышению проводимости между землей и облаком.
Из предшествующего уровня техники известен молниеотвод Франклина простейшей конструкции, состоящий из металлического стержня, соединенного с землей и заостренного с одного конца. Острие стержня, 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. Недостаткам данного технического решения является то, что не было учтено влияние радиуса кривизны вершины стержневого молниеотвода на вероятность поражения разрядом [4-5]. Так при малых радиусах кривизны вершины молниеотвода на его вершине сильно усиливается внешнее электрическое поле, что приводит к раннему появлению коронного разряда, который, в значительной мере, экранирует вершину молниеотвода от действия электрического поля облака и нисходящего отрицательного лидера. В результате, суммарное поле вблизи вершины молниеотвода становится меньше, и ухудшаются условия для старта с вершины молниеотвода восходящего встречного лидера, и, соответственно, увеличивается вероятность поражения защищаемого объекта.
Из предшествующего уровня техники известен стержневой молниеотвод с источником радиоактивного излучения [1] разработанный фирмой Helita (США) в 1932 году. Его центральный вертикальный стержень соединен с помощью проволоки с заземляющим электродом. В верхней части стержня расположен фарфоровый изолятор, покрытый нерастворимой солью радия. Выше его помещен металлический диск, укрепленный на изолирующей подставке, соединенной с боковыми антеннами. Металлический диск находится под потенциалом слоя атмосферы и несет положительный заряд, существенно превышающий величину нулевого потенциала заземляющего стержня, что позволяет ускорять заряженные частицы, образованные ионизирующим излучением. Таким образом, между облаком и землей создаются проводящие пути и устраняются условия для накопления облаком заряда. Недостаткам данного технического решения является применение радиоактивных веществ, как источника ионизации. Мощного источника излучения на молниеотводе не разместить - пострадает окружающая среда, а слабый источник ионизации у вершины молниеотвода существует и без радиоактивной насадки.
Задачей, на решение которой направлена заявленная полезная модель является создание более надежной молниезащиты путем усовершенствования стержневого молниеотвода Франклина без опасности загрязнения окружающей среды.
Технический результат достигается, а поставленная задача решается путем создания гибридного молниеотвода, который состоит из пяти заземленных стержней: одного центрального вертикального и четырех боковых; все стержни соединены друг с другом и их вершины находятся на одной высоте; боковые стержни попарно симметричны друг другу относительно центрального стержня; расстояние между вершинами боковых стержней и центральным стержнем одинаковое, и находится в пределах 50-70 мм; 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; расстояние между боковыми и центральным стержнями не позволяет коронному разряду боковых стержней экранировать вершину центрального от действия электрического поля облака и нисходящего отрицательного лидера; так же следует отметить, что коронный разряд на вершинах боковых стержней является источником ионизации воздуха вблизи центрального стержня, что увеличивает вероятность возникновения с него встречного лидера; центральный стержень имеет вершину радиусом кривизны в пределах от 20 до 25 мм [4], при таких размерах вершины значительно увеличивается площадь поверхности электрода, на которой создаются условия для возникновения и последующего распространения встречного лидерного разряда с молниеотвода, фактически, это означает рост числа точек возможного старта лидерного разряда с вершины центрального стержня молниеотвода, что увеличивает вероятность его поражения, а вследствие, уменьшается вероятность поражения защищаемого объекта.
На фиг. 1 представлена модель гибридного молниеотвода.
Гибридный молниеотвод состоит из центрального стержня-молниеприемника 1 и четырех боковых заостренных стержней 2, попарно симметричных относительно центрального, все стержни свариваются друг с и соединятся с токоотводом 3.
Гибридный молниеотвод работает следующим образом. Во время грозы на земле появляются большие индуцированные заряды, а у поверхности земли появляется высокое электрическое поле. Напряженность его очень велика вблизи заостренных стержней 2 молниеотвода, в результате чего на их вершинах зажигается коронный разряд. Вследствие этого индуцированные заряды не могут накапливаться на защищаемых объектах и вероятность поражения их разрядом молнии уменьшается. Коронный разряд на вершинах боковых стержней 2 является источником ионизации воздуха вблизи центрального стержня 1. Таким образом, увеличивается вероятность возникновения с центрального стержня 1, имеющего из-за своих размеров большее число точек возможного старта лидерного разряда, встречного лидера, который перехватывает нисходящий лидер и ориентирует его на молниеотвод. Разряд ударяет в молниеотвод и заряды уходят в землю по токоотводу 3, не причиняя вреда защищаемому объекту.
Таким образом, в сравнении с ближайшими известными аналогами, предлагаемое устройство является более эффективным и безопасным.
Источники информации
1. Базелян Э.М., Райзер Ю.П. Физика молнии и молниезащиты. М.: Физматлит, 2001.
2. Инструкция по устройству молниезащиты зданий и сооружений РД 34.21.122-87. - М: Энергоатомиздат, 1989.
3. Инструкция по устройству молниезащиты зданий, сооружений и промышленных коммуникаций: СО - 153 - 34.21.122-2003. - М.: МЭИ, 2004.
4. Темников А.Г., Черненский Л.Л., Орлов А.В., Герастенок Т.К., Белова О.С. Применение искусственных заряженных облаков для исследования молниезащиты сосредоточенных объектов на моделях // Вестник Национального технического университета «Харьковский политехнический институт». - №49. - 2011. - С. 151-170.
5. Степанов Д.А., Чесноков А.Л., Рыбаков Л.М. Существующее состояние грозозащиты объектов в сельской местности и их недостатки // Universum: Технические науки: электрон, научн. журн. 2015. №7 (19).