СПОСОБ МОЛНИЕЗАЩИТЫ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ
LIGHTNING PROTECTION METHOD AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретение относится к средствам защиты объектов различного назначения при прямом или близком воздействии молниевых разрядов, электромагнитных импульсов (ЭМИ), коротких замыканий и коммутаций энергооборудования, в частности к средствам молниезащиты промышленных или жилых зданий и сооружений, а также искроопасных объектов энергетики, нефтегазовых, химических, оборонных и других отраслей народного хозяйства.
Известна конструкция устройства для молниезащиты (патент РФ №2382464 от 23.01.2009). Молниеотвод содержит металлическую мачту и стержневой молниеприемник. При этом металлическая мачта выполнена в виде конической конструкции с радиусом сенения, уменьшающимся от ее основания к вершине. Металлическая мачта размещена внутри экранирующей оболочки, состоящей из набора тонких металлических проводников, установленных с равным шагом. Радиус окружности, по которой установлены проводники, нарастает от основания оболочки к ее вершине. Верхние концы проводников закреплены в верхней части металлической мачты посредством фланцевого соединения. Фланцевое соединение размещено внутри горообразного электростатического экрана. Стержневой молниеприемник жестко закреплен в центре металлической мачты, а металлическая мачта жестко закреплена на фундаменте. Нижняя часть металлической мачты установлена в емкость с водой. Заземлитель выполнен в виде многолучевой конструкции, сообщенной с емкостью с водой и изготовленной из труб с дренажными отверстиями, позволяющими производить капельный полив грунта.
Недостатком известной конструкции является использование металлических элементов, которые подвергаются коррозионным процессам на поверхности электродов, повышают напряжения пробоя из-за появления неэлектропроводных слоев окислов, воздушных зазоров, что снижает долговечность и уменьшает экономическую эффективность при эксплуатации. Кроме того, данная конструкция имеет ограниченное использование по территориальным признакам, например в условиях вечной мерзлоты, а также в южных районах при температуре грунта выше 30°С вокруг труб прорастают споры грибов и корни растений.
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 «Инструкция по устройству молниезащиты зданий, сооружений и промышленных коммуникаций». Издательство МЭИ, М., 2004.
Недостатком способа молниезащиты в таких системах является создание благоприятных условий для того, чтобы вызвать удар разряда в молниеотвод, стимулируя условия развития восходящего ионизированного канала, обеспечивая путь развития по нему двигающемуся сверху нисходящему заряду противоположного знака. Ток этого разряда протекает через молниеприемник, токоотвод и заземлитель, вызывая искровые разряды, акустические и механические воздействия в окружающей среде и защищаемом объекте. Действующие нормативные регламентации защиты предназначены для энергетических объектов, где допускаемые уровни энергии паразитных токов искровых разрядов составляют единицы джоулей, а для нефтегазовых, химических и радиоэлектронных средств энергия искры более одного миллиджоуля недопустима.
Вызывая разряд на себя, молниеотводы любого типа, практически всегда создают непредсказуемые деградации на защищаемом объекте. Много случаев, когда разряд приходится в объект, минуя защитный молниеотвод, например, в нефтегазовые резервуары, перекачивающие станции, высотные объекты зарезонанской высоты - более 150 метров (удары в бок).
Известны сосредоточенные заземлители, в которых при нарастании или спаде тока происходят искровые разряды в грунт при высоких напряжениях пробоя, сопровождаемые механическими и акустическими ударными процессами (Бургсдорф В.В., Якобс А.И. Заземляющие устройства электроустановок. - М.: Энергоатомиздат, 1987. - 400 с., стр.309).
Недостаток сосредоточенных заземлителей заключается в низкой эффективности и высокой искроопасности по отношению к воздействию импульсов тока и напряжений с высокой скоростью нарастания и большой длительности, что вызывает высокие потенциалы на внешних токоотводах. При этом создаются скользящие вдоль поверхности земли искровые разряды, инициирующие восходящие стримеры в местах ввода токоотвода в заземлитель в грозовых условиях и при воздействии ЭМИ, возникают электрические и механические резонансные явления. Сезонные условия, ударно-акустические воздействия, коррозионные процессы на поверхности электродов повышают напряжения пробоя из-за появления неэлектропроводных слоев окислов, воздушных зазоров, снижающих площадь соприкосновения с грунтом, в результате чего необходимо создавать разветвленную сеть заземляющих устройств, чтобы обеспечить низкие значения сопротивлений заземления по нормам электробезопасности.
Задачей изобретения является повышение эффективности защиты от воздействия молниевых разрядов в молниеприемнике, токоотводе и в заземлителе, за счет создания условий, препятствующих возникновению нисходящих разрядов и искрообразования при воздействии токов и напряжений импульсов больших значений.
Технический результат заключается в использовании в заземлителе гиперболических остриев, диффузно рассеивающих переменные токи и импульсные токи в воздушные включения и в грунт без искр путем одновременного стекания зарядов со всей поверхности заземляющих элементов, создающих вокруг электрода ионизированную зону, проводимость которой увеличивается по мере ионизации. Затухание токов происходит за счет микроразрядов в засыпной смеси опилок, угля и песка при воздействии импульсов большой длительности. Также затухание токов высокой крутизны нарастания в куполе осуществляется за счет резкого снижения импеданса в обоих направлениях протекания снизу и сверху в эквипотенциальных поверхностях, выполненных по профилю Роговского (Фелиси), снижающих градиенты напряженности ЭМИ. Горизонтальные электроды снижают подвижность протекания к центральному электроду зарядов, инициированных, например, грозовой тучей в поверхностном первом слое грунта. Плавные изгибы соединений электродов и шин действуют как компенсаторы искровых осцилляции, а также теплового и механического воздействия грунта. Неодинаковая длина горизонтальных лучей, отходящих от центрального вертикального электрода необходима для исключения резонансных явлений, вызванных электрическими ударными воздействиями больших токов молниевых разрядов, ЭМИ, механическими ударами при воздействиях на надземный объект и грунт землетрясений, близких взрывов, ударных волн. Острия покрыты электроположительным веществом типа окиси бария, снижающим работу выхода электронной эмиссии тока с остриев с 8-10 эВ до 2-5 эВ. Одновременное зажигание разряда с остриев, надежное использование всей поверхности электродов устройства создают ионизированное пространство без ударных явлений.
Поставленная задача достигается тем, что осуществляют стягивание и удержание зарядов восходящего тока в молниеприемнике, соединенного через токоотвод с заземлителем, который диффузно рассеивает токи через V-образные острия электродов, затем происходит индуцирование и равномерное растекание зарядов на внутренних и внешних поверхностях оболочки молниеприемника, выполненного в форме сферы купола или конуса, вокруг которых образуется объемный заряд противодействующего движущемуся сверху нисходящему лидеру электрического поля той же полярности, создающий отталкивающую силу, меняющую направление движения лидера в сторону инициирующего восходящий поток зарядов молниеотвода-ловушки, расположенного вне защищаемой площади.
Поставленная задача достигается также тем, что устройство безопасной молниезащиты содержит молниеприемник, соединенный с заземлителем через токоотвод. Молниеприемник выполнен в виде оболочки, имеющей форму сферы купола или конуса, увенчанной стержнем, а нижняя часть ее соединена через токоотвод с центральным вертикальным электродом заземлителя. Верх заземлителя выполнен в виде купола, а низ погружен в металлические опилки. Центральный электрод соединен с другими вертикальными и горизонтальными электродами, имеющими V-образные острия. Внешние вертикальные электроды соединены с шинами, образующими контур защищаемой площади, вне которого расположены молниеотводы-ловушки.
Сущность технического решения поясняется чертежами.
На фиг.1 показан молниеприемник, на фиг.2 изображен общий вид устройства молниезащиты, выполненный для прожекторной мачты. На фиг.3 показан внешний вертикальный электрод заземлителя. На фиг.4 показан план размещения четырехлучевых подземных шин и расположение объектов на защищаемой площади. Сетчатые заземлители под объектами и вокруг них условно не показаны.
Безопасное устройство молниезащиты состоит:
1 - стержнь, выполненный из меди, например, длиной 0,5-0,7 метра и диаметром 15 мм;
2 - молниеприемник - купол, состоящий из конуса, переходящего в контур поверхности фигуры тора, минимизирующий концентрацию электрического поля;
3 - переходник, соединяющего купол с токоотводом;
4 - токоотвод, выполненный в виде трубы, набирается из отдельных секций до необходимой высоты устройства;
5 - заземлитель,
6 - прожекторная площадка;
7 - центральный электрод заземлителя;
8 - V-образные острия из прутка 2,5-3 мм;
9 - отогнутые клинья;
10 - купол заземлителя, выполненный из медного или нержавеющей стали прутка 2,5-3 мм;
11 - полупроводящий (сыпучий) искроразрядный слой может быть выполнен из некоррозируемых металлических опилок (50-60%), угля и отожженного речного песка 10%;
12 - горизонтальные электроды, соединяющие электрод 7 с внешними электродами по многолучевой схеме (от 2-х до 6-ти лучей), выполнены из трубы или плоской шины;
13 - насыпная подушка из токопроводящей (или обычной) глины;
14 - кабель питания прожекторов;
15 - распределительный щит питания с экранирующим кожухом;
16 - место монтажа внешнего вертикального электрода;
17 - внешний вертикальный электрод выполнен в виде трубы;
18 - шины, соединяющие внешние вертикальные электроды 17 с внешней шиной;
19 - контуры защищаемой площади;
20 - защищаемые объекты;
21 - молниеотвод-ловушка должен находиться дальше от объекта 20 на расстоянии более 20-25 метров от шины 19.
о
в
Е и Е на фиг.1 - это направление вектора напряженности электрического поля от поверхности земли к туче и противодействующего поля объемного заряда вокруг купола. Купол 2 молниеприемника, переходник 3, токоотвод 4, электроды 7 и 17 могут быть изготовлены из медного листа толщиной 2 мм. Токоотвод 4 составляется из отдельных секций 4-6 метров диаметром ≥100 мм. Длина центрального электрода 7 заземлителя составляет 5-7 метров, внешних электродов 17-5-6 метров. Токоотвод 4 и центральный электрод 7 заземлителя стыкуются соосно.
Кабели 14 внешнего питания, управления и связи проложены в трубе и проходят через распределительный щит 15.
о
о
о
Безопасное устройство молниезащиты работает следующим образом. При прохождении грозового фронта заряженная туча индуцирует на поверхности земли в слое 0,1-0,3 метра заряды противоположной полярности нижнего слоя облака. В результате чего в пространстве «земля-туча» напряженность электрического поля Е повышается до 8-30 кВ/м. Соответственно на вершине молниеприемника - на куполе 2 ожидаемый потенциал составит Uп=Еhв, где hв - высота молниеприемника над поверхностью земли. Если принять Е=20 кВ/м, а hв=30 метров, то тогда потенциал будет равен Uп=600 кВ.
Под воздействием такого высокого потенциала заряды, индуцированные тучей, стягиваются с защищаемой площади контура 19 через шины 18 и горизонтальные электроды 12 к центральному электроду 7 заземлителя 5. Проходя через электроды заземлителя 5, большая часть зарядов диффузионно рассеивается через V-образные острия. При этом окружающий электроды грунт ионизируется, что еще более повышает скорость процесса нейтрализации стягиваемых зарядов.
о
в
Оставшаяся часть зарядов вызывает в токоотводе 4 по направлению к куполу 2 (или от него) ток. Высокая напряженность поля Е, воздействующая на проводящую сферу купола 2, индуцирует распределение зарядов, показанное на фиг.1. Под воздействием такого распределения зарядов внутри пространства купола 2 и в его окрестности по закону индукции образуется противодействующее поле напряженностью Е. Это поле и образовавшиеся заряды над куполом препятствуют возможности эмиссии восходящего потока зарядов и создают отталкивающее (одноименное) поле для направляющегося сверху нисходящего лидера (стримера). Эквипотенциальная поверхность купола вызывает равномерное растекание зарядов по поверхности, не вызывая локальных мест повышения критических напряженностей электрического поля, превышающих работу выхода электронов с поверхности материала.
Купол 2, токоотвод 4 и центральный электрод 7 заземлителя 5 выполнены из медного листа. Их электрическое сопротивление в десять раз ниже, чем сопротивление стальных элементов опорной конструкции. Соответственно, выше фазовая скорость распространения волны тока, что является дополнительной защитой от воздействия импульсов тока с высокой крутизной нарастания (спада), в том числе и воздействий ЭМИ. Использование медных элементов устройства молниезащиты существенно снижает скорость коррозионных процессов, что повышает остаточный ресурс и уменьшает необходимость периодических процедур диагностики (обслуживания).
Предлагаемый безопасный способ молниезащиты и устройство для его реализации является надежным средством защиты от воздействия природных и техногенных факторов.
Предлагаемый способ молниезащиты препятствует развитию прямого разряда приближающегося нисходящего лидера или ветви и рассыпается при малой энергии, либо переносит удар за пределы защищаемой площади в объект-ловушку, где созданы благоприятные условия для развития отвергнутого лидера:
- эмиссия зарядов противоположного знака
- восходящий разряд, движущийся навстречу лидеру.
После разряда нисходящего лидера или ветви, индуцированные на молниеприемнике заряды, перетекают через заземлитель и грунт к основанию объекта-ловушки.
в
Физика действия системы молниезащиты заключается в предупреждении формирования восходящего лидера от защищаемого объекта и создании условий экранирования защищаемого объекта и купола от нисходящих лидеров. Даже в случае случайного разряда молнии в купол, элементы молниезащиты обеспечивают безыскровое затухание энергии импульсного воздействия молнии и ЭМИ. Безопасные свойства молниезащиты образуются за счет эквипотенциальной поверхности оболочки купола, наличия противодействующего электрического поля Е, механической жесткости токоотвода и свойства заземлителя рассеивать индуцированные тучей заряды.
Многовековая история защитных свойств куполов церквей, мечетей от воздействия прямых молниевых ударов подтверждает техническую, экономическую и социальную полезность представленной системы молниезащиты. Известные редкие случаи воздействия прямых ударов в купола были вызваны несовершенством токоотводов, выполняемых только за счет «сырой» проводимости по стенам и отсутствием организованных заземлителей. Противодействие прямым ударом обеспечивалось в основном за счет защитных свойств купола.
Конструкция устройства молниезащиты найдет массовое применение на взрывопожарных объектах и средах как в комплексном исполнении (фиг.2), так и при использовании купола и заземлителя в отдельности. Устройство безопасной молниезащиты обеспечивает ряд уникальных физических свойств:
- стягивание и рассеивание, индуцированных грозой зарядов с защищаемой площади, что снижает энергию восходящего потока зарядов;
о
в
- воздействие на оболочку купола электрического поля высокой напряженности Е вызывает противодействующее поле напряженностью Е обратной полярности;
в
в
в
- протекающие по токоотводу заряды взаимодействуют с противодействующем полем Е, расширяют зону влияния этого поля Е вокруг купола, создавая вокруг него объемный заряд, сцепленный с полем Е;
в
- приближающийся нисходящий лидер или ветвь вызывает дополнительную индуктивную индукцию, за счет движения, в объемном заряде противодействующего поля Е такого же знака, увеличивая его объем и напряженность противодействующего поля;
- уже на расстоянии 300-400 метров от купола в результате малого момента инерции головки зарядов приближающегося нисходящего лидера или ветви будет тормозить свое продвижение. Возникающая отталкивающая сила мгновенно изменит направление его движения (даже под прямым углом);
- двигаясь над защищаемой поверхностью, освобожденной от индуцированных зарядов, где нет восходящих потоков, лидер или ветвь не может ударить в эту поверхность. Лидер разряжается за пределами защитного контура в молниеотвод-ловушку, излучающий восходящий поток зарядов противоположного знака;
- эквипотенциальные поверхности купола молниеотвода и купола заземлителя противодействуют созданию локальных мест высокой напряженности, которые вызывают искрообразование;
- в случае случайного воздействия прямого молниевого разряда в штырь купола молниеотвода или воздействия ЭМИ, ток будет растекаться по многим направлениям образующей поверхности купола, не вызывая в локальных местах напряженностей, стимулирующих искрообразование;
а
а
3/2
- кривизна верхней поверхности молниеприемника, по которой растекается ток большой амплитуды и высокой крутизны фронта импульса описывается выражением полукубической параболы у=х, где =0,4-0,5, которая является оптимальной (безударной) кривой при повороте тока высокой крутизны. Когда на отдельном проводнике или плоскости требуется обеспечить минимальное падение напряжения, соединение шин под прямым углом недопустимо. Растекание тока разряда должно происходить по конусной поверхности. Купол является более эффективным элементом молниезащиты, чем конус;
- медные поверхности купола, секций труб токоотвода и заземлителя предохраняют от коррозии, нанося лаковое покрытие на эти поверхности. Такое покрытие повышает работу выхода электронов из поверхности материала, что дополнительно снижает возможность появления искровых разрядов при критической напряженности электрического поля.
На территории России за сезон на 1-2 кв.км поверхности приходится примерно один прямой разряд молнии. Каждый такой удар, особенно для объектов «в чистом поле», вызывает нештатные ситуации, отказы технических средств, либо взрывопожарные аварии с гибелью людей. Причем во всех случаях молниезащита объекта соответствует сегодняшним нормативным требованиям, регламентирующим только «франклиновские» молниеотводы, которые не обеспечивают абсолютную защиту на протяжении многих лет.
Преимущества предлагаемого способа и устройства молниезащиты во многих случаях перекрывают возможности использования «франклиновских» молниеотводов, токоотводов, не отвечающих современным требованиям безыскровых заземлителей.
Использование способа и устройства безопасной молниезащиты позволяет снизить трудоемкость обслуживания, применять для объектов дорезонансных и зарезонансных высот до 500 метров. Размещая купольные конструкции в резонансных зонах высотного объекта (TV башни, радиовышки здания), обеспечивают защиту боковой поверхности объекта от воздействия прямых ударов.
Применение предлагаемого способа молниезащиты позволит существенно снизит экономические и человеческие потери в России.
В условиях города поражение, электронных средств от воздействий прямых молниевых разрядов происходит более чем в 10 раз чаще, чем отказы в системах электроснабжения. Молниезащита «интеллектуальных зданий», выполненная с применением предлагаемого способа не менее чем на порядок снизит количество поражений электронных средств от воздействий прямых ударов.
Количество лучей в конструкции заземлителя устанавливают с учетом высоты объекта, величины защищаемой площади и проводимости грунта.
При высоте молниеотвода до 30 метров применяют 2-лучевую схему. При высоте 100-120 метров применяют 6-лучевую схему заземлителя.
Длина каждого луча заземлителя составляет 10-14 метров. В грунте с большей проводимостью используют меньшую длину луча. В грунте с меньшей проводимостью используют большую длину луча.
За пределами защищаемой площади должен находиться излучающий молниеотвод-ловушка, куда и будет разряжать свою энергию отвергнутый нисходящий лидер. В качестве таких ловушек-излучателей могут служить отдельные деревья, прожекторные вышки, специальные молниеотводы, удары в которые не вызовут отказы и деградации технических средств.
Безопасный способ молниезащиты с использованием предлагаемого устройства найдет массовое применение на объектах высотой Н=50-40 метров (дорезонансной высоты) при 5-, 6-лучевых схемах, Н=25-40 - при 4-лучевых; Н=15-25 - при 3-4-лучевых; Н=10-15 - при 2-3-лучевых схемах. Особенно эффективно работает устройство для одиночных мачт, вышек (например, пограничных, радиорелейных, молниезащитных) дымовых труб, ветростанций, антенн, нефтегазовых, энергетических, оборонных объектов и т.п.), для необслуживаемых объектов. Возможно использование устройства для молниезащиты при доработке заземлителей, действующих в составе искроопасных и взрывопожарных средств, для высотных, зарезонансных, более 100 метров, объектов, чтобы уменьшить возможность восходящих разрядов за счет снижения поступления зарядов, стягиваемых с защищаемой поверхности в молниеотвод объекта.
Низкое искровое сопротивление заземления способствует: снижению (0,1-10 мкс) длительности разряда накопленного в молниеприемнике объемного заряда, накопленной индуктивной и механической энергии в токоотводе и металлоконструкции объекта после первого импульса; уменьшению амплитуды и длительности импульса напряжения обратного знака в системе «молниеприемник-токоотвод-заземление» (МТЗ), возникающего после окончания тока 1-го импульса молниевого разряда; исключения прямых ударов молнии 2-го и последующих импульсов в бок и подножье объекта (на примерах TV башен); ослабление резонансных явлений в элементах МТЗ, при воздействии токов импульса (нисходящего молниевого разряда, ЭМИ) высокой крутизны.
Экономическая эффективность от применения безопасного способа молниезащиты и устройства на защищаемой площади обеспечивается за счет:
- исключения наземных и подземных искрений, превышающих энергию воспламенения углеводородных фракций;
- исключения возникновения восходящих стримеров при грозе и воздействии ЭМИ;
- снижения в 10-100 раз заноса потенциала импульса по цепям вторичных источников питания, управления и связи при воздействиях молний, коротких замыканий, ЭМИ и коммутаций;
- сокращения количества нормативных проверок сопротивления заземления;
- повышения коррозийной и экологической долговечности;
- снижения затрат на ремонт и обслуживание средств.