УСТРОЙСТВО ДЛЯ МОЛНИЕЗАЩИТЫ
LIGHTNING PROTECTION DEVICE

Изобретение относится к устройствам защиты от прямых ударов молнии объектов различного назначения.
Устройство для молниезащиты, включающее стержневой молниеотвод - традиционное средство защиты наземных объектов от прямых ударов молнии, известный с середины 18-го века благодаря работам Франклина. По современным представлениям действие молниеотвода основано на том, что возвышаясь над защищаемым объектом, он обеспечивает локальное усиление электрического поля атмосферы у своей вершины, благодаря чему создаются благоприятные условия для развития от нее ионизованного канала - встречного лидера. Двигаясь навстречу каналу молнии, он перехватывает ее, обеспечивая поражение молниеотвода, а не защищаемого объекта.
В последние десятилетия пытаются увеличить эффективность защиты от прямых ударов молнии, создавая устройства, включающие так называемые активные молниеотводы (см., например, RU 2090968 С1, 20.09.1997, RU 2277444 С2, 10.06.2006, RU 2101819 С1, 10.01.1998, US 4016462 А, 05.04.1977, KR 100433011 В, 14.05.2004 и др.). В их основе лежат различные воздействия на электрическое поле или состояние воздуха у вершины стержня, которые способствовали бы более раннему инициированию встречного лидера.
Принимая на себя удары молнии, молниеотводы любого типа обеспечивают отвод в землю импульсного тока молнии амплитудой в десятки - сотни килоампер. При этом потенциал молниеотвода поднимается по отношению к нулевому потенциалу удаленной “земли” за счет падения напряжения на заземляющем устройстве молниеотвода, а также в результате ЭДС магнитной индукции. Ее источником является магнитное поле, быстро нарастающее на фронте импульса тока молнии, который распространяется как по стойке молниеотвода, так и собственно по каналу молнии.
Для тока молнии с длительностью фронта 10 мкс и амплитудой 100 кА (стандартизован нормативным документом “Инструкция по устройству молниезащиты зданий, сооружений и промышленных коммуникаций”, утвержденным приказом Минэнерго России от 30.06.2003, №280) подброс потенциала стойки молниеотвода с типовым сопротивлением заземления 10 Ом способен превысить 1000 кВ. В результате столь высокого напряжения на боковой поверхности молниеотвода индуцируется электрический заряд с погонной плотностью порядка 10 мкКл/м и выше, что приводит к резкому усилению радиальной составляющей электрического поля. При практически используемых диаметрах стойки молниеотвода радиальное поле превышает порог ионизации воздуха, и тем самым дает старт коротким искровым незавершенным разрядам. Благодаря высокой температуре плазмы в таких каналах их контакт с зоной горючих газовых выбросов в атмосферу вызывает возгорание или взрыв, подобно тому как это происходит, например, при работе бытовых газовых электрозажигалок.
Действующие нормативные документы не препятствуют установке молниеотводов в зонах технологических выбросов горючих и взрывоопасных газовых смесей. Чтобы исключить их возгорание, следует уменьшить поле на поверхности молниеотвода ниже порога ионизации воздуха. Это можно сделать, увеличивая радиус стойки, поскольку в протяженной конструкции напряженность поля обратно пропорциональна радиусу проводника. Практически речь должна идти о радиусах стоек в десятки сантиметров, что нельзя считать конструктивным из-за неоправданных затрат металла и резкого увеличения ветровых нагрузок, весьма существенных при высоте молниеотвода в десятки метров. К тому же радиус стойки из-за неравномерного распределения по ней индуцированного электрического заряда должен нарастать от основания к вершине, что противоречит конструктивному исполнению стойки по прочностным соображениям.
Задачей настоящего изобретения является создание устройства для молниезащиты, позволяющего устранить перечисленные конструктивные противоречия, а именно: исключить искрообразование в зоне горючих и взрывоопасных газовых выбросов при одновременном снижении ветровых нагрузок на конструкцию.
Поставленная задача решается тем, что в устройстве для молниезащиты, включающем стержневой молниеотвод, состоящий из металлической мачты, штыревого молниеприемника, и заземлитель, согласно изобретению металлическая мачта выполнена в виде конической конструкции с радиусом сечения, уменьшающимся от ее основания к вершине, причем металлическая мачта размещена внутри экранирующей оболочки, состоящей из набора тонких металлических проводников, установленных с равным шагом, при этом радиус окружности, по которой установлены проводники, нарастает от основания оболочки к ее вершине, а верхние концы проводников закреплены в верхней части металлической мачты посредством фланцевого соединения, при этом само фланцевое соединение размещено внутри торообразного электростатического экрана, а стержневой молниеприемник жестко закреплен в центре металлической мачты, причем сама металлическая мачта жестко закреплена на фундаменте, и ее нижняя часть установлена в емкость с водой, а заземлитель выполнен в виде многолучевой конструкции, сообщенной с емкостью с водой и изготовленной из труб с дренажными отверстиями, позволяющими производить капельный полив грунта.
Задача решается также тем, что высота экранирующей оболочки составляет 80% от полной высоты молниеотвода.
Кроме того, экранирующая оболочка прикреплена к металлической мачте молниеотвода на высоте 2 м от уровня земли.
Задача решается также тем, что радиус фланцевого соединения на 0,2 м превышает радиус окружности, на которой размещены проводники.
Кроме того, электростатический экран выполнен с радиусом сечения образующей тора около 0,15 м.
Важно также, что количество лучей в конструкции заземлителя устанавливают с учетом удельного сопротивления грунта и предельно допустимого тока молнии для обеспечения снижения поля внутри зоны защиты ниже порога ионизации воздуха.
Техническим результатом заявленного изобретения является разработка искробезопасного устройства для молниезащиты, которое возможно размещать в пространстве, заполненным взрыво- и пожароопасными газовыми выбросами.
На фиг.1 показан общий вид стержневого молниеотвода.
На фиг.2 показана конструкция заземлителя.
На фиг.3 показано размещение емкости для капельного увлажнения грунта.
Устройство для молниезащиты состоит из металлической мачты 1, которая выполнена в виде конуса, стержневого молниеприемника 2 и заземлителя 3. К металлической мачте жестко прикреплена экранирующая оболочка 4, состоящая из набора тонких проводников 5. Верхние концы проводников 5 закреплены на металлической мачте 1 посредством фланцевого соединения (на фиг. не показано), которое размещено внутри торообразного электростатического экрана 6. Стержневой молниеприемник 2 жестко закреплен в центре металлической мачты 1.
Металлическая мачта 1 жестко закреплена на фундаменте 7, и ее нижняя часть установлена в емкость с водой 8, а заземлитель 3 выполнен в виде многолучевой конструкции, сообщенной с емкостью с водой 8, и изготовленной из труб 9 с дренажными отверстиями, позволяющими производить капельный полив грунта.
Устройство работает следующим образом.
ион
Число проводников 5 и радиусы окружности экранирующей оболочки 4, по которым они размещаются в верхней и нижней части мачты 1, выбирают такими, чтобы напряженность электрического поля в любой точке конструкции, контактирующей с опасными газовыми выбросами, не превышала порога ионизации воздуха (E=3000δ кВ/м, где δ - относительная плотность воздуха). Исходными данными для расчета геометрических параметров экранирующей оболочки являются:
- амплитуда и временные параметры допустимого импульса тока молнии,
- величина импульсного сопротивления заземления молниеотвода,
- геометрические размеры заземляющих шин и план их размещения в грунте,
- высота молниеотвода.
Методика расчета строится на известных принципах электродинамики и должна выполняться с помощью специализированного программного обеспечения. Например, для молниеотвода высотой 30 м компьютерные вычисления приводят к следующим функциональным зависимостям между электрическим полем на внешней поверхности Е, потенциалом на заземляющем устройстве U, числе проводников N и радиусе окружности опоры молниеотвода, вдоль которой они размещены: если например, допустимый порог напряженности электрического поля в месте установки молниеотвода 2500 кВ/м, а потенциал на заземлителе при растекании тока молнии поднимается до 2000 кВ (E/U=1,25), то, применяя проводники радиусом 5 мм, можно ограничиться конструкцией из 50 проводников, если разместить их на окружности радиусом 0,4-0,8 м. В тех же условиях число проводников радиусом 2,5 мм увеличивается примерно до 100. Оба варианта исполнения приводят к тому, что при размещении проводников по окружности радиусом 0,6 м эффективное сечение оболочки, определяющее ветровую нагрузку, снижается более, чем в 4 раза по сравнению со сплошной конструкцией.
Размеры электростатического экрана 6 выбираются такими, чтобы гарантировать снижение электрического поля до порога ионизации воздуха в местах крепления проводников 5, образующих экранирующую оболочку 4.
Для повышения эффективности снижения электрического поля на боковой поверхности молниеотвода, его заземляющее устройство 3 должно обеспечивать максимально равномерное распределение потенциала на поверхности земли в пределах максимально большого радиуса. В предельной ситуации, когда поверхность земли металлизирована в пределах круга радиусом 2-3 высоты, электрический заряд и электрическое поле на поверхности боковой молниеотвода полностью перестало бы зависеть от сопротивления заземления.
Хороший технический эффект получается при использовании многолучевых заземлителей 3 с поперечными связями между лучами длиной 15-20 м. Примеры заземлителей подобной конструкции типа “заземляющая паутина” представлены на фиг.2. Заземлитель является неотъемлемым элементом искробезопасного молниеотвода. Конкретная конструкция заземлителя выбирается в зависимости от удельного сопротивления грунта и требуемого сопротивления заземления.
Полезное действие многолучевого заземлителя проявляется следующим образом.
При растекании тока молнии трубы 9 заземлителя 3 принимают тот же потенциал, что и основание молниеотвода. Близкое расположение труб к поверхности земли обуславливает сопоставимый потенциал и на поверхности над трубами. Электрический заряд, который там возникает, создает заметную долю потенциала на боковой поверхности молниеотвода, вследствие чего собственный заряд проводников, образующих эту поверхность, снижается в пределах нескольких десятков процентов, ограничивая там рост радиальной составляющей напряженности электрического поля.
Из опыта эксплуатации известна сезонная вариация сопротивлений заземления за счет изменения влажности грунта. В засушливые летние периоды вследствие обезвоживания сопротивление заземления молниеотвода может резко увеличиваться, повышая тем самым опасность искрообразования во взрывоопасных зонах. Для сезонной стабилизации сопротивления заземления в молниеотводе предусмотрена система капельного полива грунта. С этой целью все подземные заземляющие трубы 9 снабжены дренажными отверстиями вдоль боковой поверхности. Металлическая мачта молниеотвода 1 своим основанием помещена в емкость с водой 8. Сигнал для начала полива подается датчиком (на фиг. не показан), постоянно контролирующим сопротивление заземления заземлителя. В случае превышения сопротивлением заземления предельно допустимого значения датчик выдает команду, которая после обработки преобразователем управляет гидроклапаном с электрическим приводом (на фиг.не показаны), открывающим доступ жидкости из емкости 8 к трубам капельного полива 9. Длительность полива ограничивается командой от датчика влажности грунта, который после обработки преобразователем закрывает гидроклапан.
Таким образом, выполнение устройства для молниезащиты с боковой экранирующей конусной оболочкой, состоящей из набора тонких проводников, делает его искробезопасным, а его заземляющее устройство обеспечивает максимально равномерное распределение потенциала на поверхности земли в пределах максимально большого радиуса, что позволяет размещать предложенное устройство для молниезащиты в пространстве, заполненным взрыво- и пожароопасными газовыми выбросами.