СПОСОБ МОЛНИЕЗАЩИТЫ НА ПРИНЦИПЕ ЭКРАНИРОВАНИЯ ЗАЩИЩАЕМОГО ОБЪЕКТА ОТ МОЛНИЕВОГО РАЗРЯДА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
LIGHTNING PROTECTION METHOD ON PRINCIPLE OF SCREENING PROTECTED OBJECT FROM LIGHTNING DISCHARGE AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Способ молниезащиты на принципе экранирования защищаемого объекта от молниевого разряда основан на препятствовании возникновению условий для молниевого разряда в защищаемой зоне посредством генерирования над защищаемым объектом объемного заряда путем коронирования под воздействием внешнего электрического поля «облако-земля» на множестве электродов-ионизаторов, за счет которого обеспечивается:
- рассеивание энергии, снижающее мощность молниевого разряда;
- выравнивание электрического поля над защищаемым объектом, препятствующее образованию встречного лидера, что снижает область стягивания молниевых разрядов к защищаемой зоне;
- при определенных условиях заряд может поляризоваться, образуя поле над защищаемой зоной однополярного с нисходящим лидером молнии, создающего отталкивающую силу, меняющую направление движения лидера от защищаемого объекта.
В наши дни все большее количество микроэлектронной аппаратуры, используемой в зданиях, повреждается из-за электромагнитных излучений, производимых молниеотводом во время прохождения молнии в землю. Поэтому молниеотвод не может предохранить современное высокотехнологичное оборудование, и использование новых технологий защиты от молний является крайне необходимым.
Известны устройства для молниезащиты, применяемые для защиты наземных объектов, содержащие стержневой молниеприемник, токоотвод и сосредоточенные заземлители, выполненные в соответствии с рекомендациями документа СО-153-34.21.122.2003 [1]. Принцип их действия основан на провоцировании MP в элементы МЗ, которые должны обеспечивать безопасное растекание тока молнии.
Известен способ нейтрализации зарядов грозового облака, заключающийся в том, что в нужной зоне устанавливают молниеотводящую вышку с лазером и зеркальным уголковым отражателем, создают плазменный канал лазера от вышки до низа грозового облака, по лазерному каналу осуществляют многократные разряды молнии. Лазер включают при достижении предгрозовой напряженности электростатического поля тропосферы (RU 2004125693 А, опубл. 10.02.2006).
Известен способ защиты от разрядов атмосферного электричества (молний) путем улавливания и нейтрализации, включающий использование заземленного стержня, который располагают вертикально. Дополнительно используют источник, ионизирующий воздух, луч которого направляют вдоль заземленного стержня вертикально в вышерасположенные слои атмосферы, создавая тем самым в воздухе токопроводящую полосу из ионизированных газов, которая служит проводником для прохождения молнии в стержень, где она нейтрализуется заземлением. Разряд молнии протекает при меньшей напряженности электрического поля с меньшим разрушающим действием (RU 2000125979 А, опубл. 10.09.2002).
Известен способ защиты от атмосферных электрических перенапряжений, основанный на осуществлении принудительного разряда грозовой ячейки путем возбуждения устойчиво развивающегося лидера электрического искрового разряда. Возбуждение лидера осуществляют созданием по крайней мере одной цепочки зон безэлектродного электрического пробоя воздуха с перекрывающимися оболочками низкотемпературной плазмы (RU 2144747 С1, опубл. 20.01.2000).
Известен способ молниезащиты зданий и сооружений при помощи молниеотвода, содержащего диэлектрический корпус с поперечной ребристостью, в крышку которого вставлены центральный стержень-молниеприемник и боковые стержни. Центральный стержень заземления вставлен в основание корпуса. В корпус помещены обкладки конденсаторов, соединенные с внутренними разрядниками. Крышка выполнена проводящей, боковые стержни вставлены в нее. В корпус помещены две цепи последовательно соединенных резисторов, число которых и их номиналы в каждой цепи одинаковы. Первые выводы резисторов первой цепи подключены к верхним обкладкам конденсаторов.
Первые выводы резисторов второй цепи подключены к их нижним обкладкам. Разрядники расположены на смежных обкладках соседних конденсаторов (RU 2208887 С1, опубл. 20.07.2003).
Известно устройство для изменения объемного заряда в атмосфере, содержащее коронирующий электрод, закрепленный на опорах, согласно настоящему изобретению снабжено проводником для сообщения коронирующему электроду из нижних слоев земной коры высоковольтного статического напряжения относительно объемного электростатического заряда, возникшего в атмосфере (патент РФ №2124820).
Электрический проводник для передачи электростатического напряжения из глубинных слоев земной коры на коронирующий электрод выполнен в виде пробуренной в земной коре скважины с установленными в ней металлическими обсадными трубами, которые электрически соединены с коронирующим электродом. Коронирующий электрод в предлагаемом устройстве выполнен в виде металлического троса, верхний конец которого соединен с металлическим кольцом.
Известно также устройство для создания объемного заряда в атмосфере, содержащее один или несколько электродов, имеющих форму заострений, подключенных к источнику высокого постоянного или пульсирующего напряжения, и авиационный реактивный двигатель. При этом электроды установлены в сопле реактивного двигателя (авт. свид. №446955, H05F 3/00, 1973 г.).
Общими недостатками вышеуказанных технических решений является значительное увеличение числа разрядов в области защищаемых объектов за счет провоцирования условий возникновения молниевых разрядов.
В результате:
- повышается вероятность молниевых разрядов в систему молниезащиты, что, в свою очередь, влечет к увеличению риска прорыва молнии через эту систему;
- увеличиваются уровни электромагнитных воздействий на оборудование защищаемого объекта за счет стягивания молниевых разрядов к защищаемой зоне, что порождает необходимость в повышении уровня защиты объектов от вторичных проявлений молниевых разрядов (заноса потенциала, воздействия электрического и магнитного полей).
В 1995 г. автором изобретения (патент Китая CN 1049531 С) была описана совершенно новая технология защиты от молний, которая позволяет избежать прямого удара молнии в предохраняемый объект. Такая технология может быть применима не только к неподвижным объектам, находящимся на земле, но и к движущимся объектам, находящимся на земле, небе и в воздухе, для защиты их от поражения молнией. Для объекта, находящегося на земле, защита происходит следующим образом: предложен искусственный плазменный шар, вызывающий исчезновение наведенных зарядов на предохраняемом объекте, а также препятствующий наведенным зарядам на таком объекте, путем передачи зарядов противоположной полярности, по отношению к наведенным зарядам, на предохраняемый объект.
Недостатком указанного технического решения является сложность и энергоемкость в реализации.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является устройство для создания объемного заряда в атмосфере, содержащее электрод, выполненный в виде вертикального столба, имеющего на своем верхнем конце одно или несколько заострений, подключенный к источнику высокого постоянного или пульсирующего напряжения (патент РФ №2034315, МПК: G01W 1/00, 1991 г.) Это устройство предназначено для воздействия на облака с целью изменения их электрической активности или осадкообразующей способности путем искусственного введения в облако нескомпенсированного электрического заряда.
Также близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является устройство, выполненное в виде провода, закрепленного на опорах над поверхностью земли и подключенного к источнику напряжения, способному обеспечить на проводе потенциал одного знака относительно потенциала Земли, по меньшей мере равный величине критического напряжения, при котором вокруг провода возникает коронный разряд (патент РФ №2060639, МПК: G01W 1/00, 1991 г.). Провод имеет длину 6-7 км и для охвата возможно большей территории растянут по прямой линии, или имеет один поворот на 90°, или растянут по форме буквы Т.
Недостатками описанных устройств являются необходимость наличия источника энергии, а также слабое электрическое поле, создаваемое инжектированным объемным зарядом в атмосфере из-за расположения коронирующего провода по прямой линии на большие расстояния. Вследствие этого электрические силы практически не участвуют в переносе ионов от устройства к облакам и эффективность устройства вследствие этого при воздействии на облачность, особенно на слоистообразные облака, низка. Слабость плотности заряда и напряженности электрического поля в атмосфере в окрестностях устройства являются следствием подвески коронирующего провода по прямой на большие расстояния, в результате чего заряд распределяется в воздухе на большой площади. В итоге при воздействии на слоистообразную облачность, под которой восходящие потоки слабы, ионы, генерированные в воздухе устройством, имеют мало шансов попасть в облачный слой.
В основу изобретения положена задача разработать способ экранирования защищаемого объекта от нисходящих молниевых разрядов, что позволит снизить грозовую активность в защищаемой области и уровни деструктивных воздействий на объект, вызванные близкими молниевыми разрядами [2]. Физика действия изобретения состоит в генерировании над защищаемым объектом объемного заряда.
Работа устройства поясняется на фиг. 1. Для экранирования объекта 1 от нисходящего лидера молнии обеспечиваются условия поддержания тока короны ниже критического значения, выше которого осуществляется переход встречного разряда в стриммерную форму. Поставленная задача достигается устройством, состоящим из множества штырей-ионизаторов 2. Возрастание электрического поля вследствие воздействия грозового облака и приближающегося лидера молнии вызывает коронный разряд от вершин электродов-ионизаторов.
Коронный ток системы определяется выражением
где J - плотность тока
ε - электрическая постоянная;
t - время.
В результате этого в атмосфере в непосредственной близости от заострений создается нескомпенсированный объемный электрический заряд. Заряд короны системы определяется выражением
Где q - заряд;
ε - электрическая постоянная;
0
Е - напряженность электрического поля облако-земля;
0cor
Е - напряженность электрического поля короны;
t - время.
Увеличение числа электродов влечет к снижению тока короны от каждого из них с внешним полем, приближающимся к пороговому значению напряженности электрического поля формирования короны. При достаточно большом количестве электродов ток короны каждой из них остается ничтожным как в поле грозового облака, так и при его усилении зарядом близкой нисходящей молнии, что препятствует возникновению встречного лидера от защищаемых объектов. Обширное плоское облако коронного разряда над системой электродов экранирует электрическое поле атмосферы в месте своей дислокации, что влечет к снижению радиуса притяжения молний и соответственно количеству разрядов в защищаемый объект.
Далее ионы разных знаков движутся навстречу друг другу. На верхней границе под воздействием внешнего электрического поля, генерируемого грозовым облаком, происходит частичная рекомбинация ионов. В результате над защищаемой зоной формируется заряд 3, однополярный нисходящему лидеру молниевого разряда, взаимодействие их полей формирует силу, отталкивающую лидер молнии от защищаемой зоны.
Настоящее изобретение далее может быть реализовано в виде металлической полосы (листа) 4 с закругленными краями (фиг. 2) либо в виде металлической проволоки, на которых закреплены штыри-ионизаторы 2.
Для выравнивания поля по краям конструкции электроды-ионизаторы выполняют с наклоном во внешнюю сторону либо загибают края основания.
Для эффективной работы устройство должно быть снабжено эффективными системами заземления и уравнивания потенциалов с заземлением защищаемого объекта. С заземлением устройство объединяется по токоотводу 5.
Для объектов большой площади эффективно реализовать устройство согласно варианту, представленному на фиг. 3 в виде растянутой над защищаемой зоной металлической проволоки 1 с закрепленными на ней штырями ионизаторами 2 (наподобие колючей проволоки).
Технические результаты достигаются тем, что в отличие от известных принципов молниезащиты, провоцирующих молниевые разряды в элементы молниезащиты (следовательно, увеличивающие грозовую активность), данное изобретение препятствует возникновению условий для молниевого разряда, что снижает уровни деструктивных воздействий на объекты от близких молниевых разрядов.
Применение подобных систем наиболее эффективно для объектов, расположенных в северных регионах, где за счет малого количества металлоемких объектов при применении традиционных систем молниезащиты (провоцирующей развитие молниевых разрядов) наблюдается значительное увеличение плотности и мощности молниевых разрядов над защищаемым объектом, что, в конечном счете, ведет к увеличению риска повреждения оборудования и поражения персонала в результате прорыва молнии через систему молниезащиты.
Источники информации
1. СО-153-34.21.122.2003 «Инструкция по устройству молниезащиты зданий, сооружений и промышленных коммуникаций». Издательство МЭИ, М., 2004.
2. Ермаков К.В., Рябов Ю.Г. «Концепция потенциальной молниезащиты объектов и технических средств. Новые подходы и принципы обеспечения (часть I)». «Технологии ЭМС». №4, 2010.