Инновации в сфере молниезащиты

В работе рассмотрены проблемы эксплуатации существующих систем молниезащиты (МЗ), проектируемых на базе современных методик (принятых в РФ и Европе), которые основаны на принципе привлечения молниевых разрядов (МР) к элементам МЗ. Предложен новый принципиальный подход к организации защиты наземных защищаемых объектов (далее – объект) от молниевых разрядов путем блокировки развития молниевого разряда в защищаемой области.

Ключевые слова: молниезащита, молниеотводы, совместимость, модернизация, предложения.

Работа современных систем молниезащиты базируется на провоцировании молниевых разрядов в назначенные (определённые) элементы молниезащиты, которые должны обеспечивать безопасное упорядоченное растекание тока молнии.

На практике, при обеспечении достаточного уровня защиты от прямых молниевых разрядов расстояние от молниеотвода до защищаемых объектов не превышает 50м, что увеличивает уровни вторичных воздействий молниевых разрядов (занос потенциала, формирование магнитных и электрических полей).

Опыт эксплуатации также показывает, что после установки молниеотводов увеличивается плотность грозовых разрядов в защищаемой области. Например, для Тюменской области службами эксплуатации фиксируются в среднем до 6 разрядов в защищаемый объект за 1 грозу, и около 10 гроз в районе объекта в год при нормативной среднегодовой грозовой активности 6 разрядов в 1 кв. км. (40-60ч). С учетом того, что проектирование молниезащиты осуществляется на базе значений грозовой активности в регионе, увеличение плотности грозовых разрядов влечет к неучтенному увеличению вероятности прорыва МР через созданную систему молниезащиты.

При этом, с увеличением высоты молниеотвода резко снижается эффективность защиты объекта от прямых ударов нисходящих молний. В качестве примера можно привести нередко наблюдаемые случаи боковых молниевых разрядов в телевизионные башни, также фиксируются случаи ударов молнии в основание башен и в расположенные рядом с ними объекты. Причина этого в том, что за счет многокомпонентного соcтава молниевого разряда первичные компоненты разряжают молниеотвод и для последующих компонент становятся наиболее привлекательными соседние сооружения, на которых встречный заряд сохранился (что обеспечивается при отсутствии единого заземляющего устройства (далее – ЗУ), обычно выполняемого на взрывоопасных объектах).

В ПАО «Газпром» эту проблему пытались минимизировать вводом примечания к таблице 2 в п. 5.1.2 Р Газпром 2-6.2-676-2012 «Методика и порядок расчета системы молниезащиты объектов ОАО «Газпром» которое звучит «Запорно-регулирующая арматура линейной части газопродуктопроводов и технологических объектов КС, нефтегазоконденсатных месторождений и ПХГ не подлежит защите молниеприемниками от ПУМ». Однако, при этом сохраняется не нормативное значение вероятности поражения объекта прямым разрядом молнии.
Для повышения эффективности защиты опасных производственных объектов от прямых МР рассмотрим новые принципы МЗ, которые можно рассматривать в перспективе для построения методик организации молниезащиты опасных производственных объектов.

В прошлом веке на рынке развитых стран появились комбинированные системы МЗ, молниеприемники, альтернативные традиционным. Во Франции – «активные» - ускоряющего (системы с упреждающей эмиссией) и блокирующего типов. В оборонной промышленности России и в США известны игольчатые молниеотводы – блокирующие развитие восходящих лидеров, отводящие нисходящие лидеры от объекта. В РФ также заявлены блокирующие МР молниеотводы эквипотенциального (купольного) типа.
Опыт эксплуатации систем активных молниеотводов не показал значительного увеличения зоны молниезащиты в сравнении с Франклиновскими стержнями, а сопутствующие Франклиновским стержням недостатки в них еще более усиливаются.

Использование активных молниеотводов может только усугубить вышеперечисленные проблемы. Очевидна актуальность внедрения принципиально новых методик построения МЗ наземных объектов ПАО «Газпром», которые должны базироваться на принципах блокирования развития или рассеивания молниевых разрядов в защищаемой зоне. Для этого необходимо обеспечить предупреждение перехода коронного разряда у вершины защищаемого объекта в стримерную форму, т.е. ток вершины радиуса молниеотвода не должен превысить критическое значение.

Выполнение указанных условий можно обеспечить на принципе точечной разрядки, заключающейся в стекании заряда с острия многочисленных иголок в окружающую атмосферу и создания тем самым объемного заряда, препятствующего развитию восходящих лидеров и задерживающих движение нисходящих лидеров молнии. На данном принципе еще в 1935 году использовались «Метелочные антенны», а в авиации применяются специальные рассеиватели заряда (рисунок 1).

 
Рис. 1. Рассеиватели заряда на конструкции самолетов.

В основе функционирования игольчатой конструкции молниеотвода, представляющего собой каркас по форме полусферического дождевого зонта с множеством (более 1000) игл-электродов (~0,1см), лежит принцип дробления коронного тока по многочисленным очагам короны.

Воспламенение короны происходит (Eк ~100 кВ/м) ниже уровня окружающей вершину объекта среды грозового нарастающего ЭП, инициирующего переход коронного разряда в стримерную форму, необходимую для старта от вершины сооружения встречного (восходящего) лидера. Поэтому, движущийся сверху лидер нисходящего МР «не видит» защищаемый объект.

Механизм работы игольчатой конструкции молниеотвода

Механизм блокирования восходящих и нисходящих лидеров МР игольчатым молниеотводом. На рис. 1 (на трех электродах) иллюстрируется принцип механизма развития противодействия вихревого электрического поля (ЭП) Е2, Е3 ансамбля электродов нарастающему dE/dt грозовому ЭП, препятствующего развитию канала восходящего лидера и блокирующего прорыв к защищаемому объекту приближающегося нисходящего лидера МР.

На рисунке 2 магнитное поле В1 тока коронного разряда I1 в среднем стержне I, вызванного увеличивающийся напряженностью (dE/dt) электрического потока между молниеприемником (имеющим потенциал земли) и наэлектризованным пространством, возбуждает вихревое ЭП Е1, которое в левом II и правом III стержнях индуктирует токи I2 и I3. Возбуждаемые магнитными полями В2 и В3 этих токов противоположно направленные вихревые ЭП Е2 и Е3 будут противодействовать, снижать индукционный первичный ток I1 в среднем стержне, препятствуя дальнейшему нарастанию тока, притекающего в молниеприемник (в стержни) по токоотводу из заземлителя, вызванного нарастающим ЭП (dE/dt). Чем ближе стержни расположены друг к другу, тем больше диапазон уровня их взаимодействия и тем выше диапазон защиты нарастающим ЭП.

Рис. 2.  Схема механизма противодействия вихревого электрического поля Е2, Е3 ансамбля электродов нарастающему dE/dt грозовому электрическому полю

Повышение напряженности dE/dt над игольчатым молниеотводом вызовет в электродах обратные (окончание правильно, полей много т.к. для каждого электрода) направлению действия грозового ЭП вихревые ЭП, которые будут подавлять процесс развития условий, необходимых для  формирования канала восходящего лидера, блокируя нарастание тока Iк. При отсутствии восходящего канала от игольчатого молниеотвода двигающийся от тучи нисходящий лидер даже по случайной траектории, попадающей в зону защиты молниеприемника, «не увидит» защищаемое сооружение и направится к другому объекту или молниеловушке (мачта, столб освещения, вышка, дерево), над которыми «прорастает» восходящий канал, несущий заряд другой полярности.

Аналогичный принцип известен в качестве коэффициента использования при построении заземляющего устройства на базе вертикальных электродов. К примеру, в справочнике «Заземляющие устройства электроустановок» Р.Н. Карякина с.313. рекомендовано выдерживать расстояние от одного электрода до другого должно быть не менее его длины.

Когда нисходящий лидер встретится с каналом восходящего лидера молниеловушки в отдалении от защищаемого объекта, произойдет электрическое замыкание пространства «туча – земля». Снизится напряженность ЭП пространства. В течение нескольких микросекунд (еще до начала главного МР) объемный заряд молниеприемника, пространственный заряд токоотвода и конструкции заземленного объекта под воздействием индукционного вихревого ЭП обратной полярности разряжаются сами на себя. Напряжение на поверхности земли спадает до нуля на расстоянии несколько метров от объекта.

В процессе снижения напряженности ЭП (dE/dt) приземного пространства ток коронного разряда I1 на среднем стержне I будет уменьшаться, что вызовет снижение токов I2 и I3. По правилу Ленца во всех стержнях произойдет мгновенное изменение на обратное направление действия вихревых ЭП, которые будут стремиться поддержать затухающие токи I1, I2 и I3, препятствуя их снижению за счет уменьшения объемного заряда и разряда распределенных емкостей конструкции сооружения и элементов МЗ.

Наглядное моделирование защитных свойств ансамбля электродов

Сравним защитные свойства ансамбля игольчатых электродов, заключающиеся в отсутствии искровых пробоев при воздействиях статической напряженности ЭП высоких уровней, со стойкостью подобного одиночного стержневого  электрода к данным условиям воздействия. Моделирование грозовых воздействий ЭП выполняли на двух макетных образцах молниеприемников – ансамблях стержневых и игольчатых конструкций. Аналогичные конструкции компания «LEC» использует в натурных условиях для МЗ объектов. Процесс защиты проиллюстрирован тремя наглядными фрагментами из двух  видеофильмов, представленных компанией «LEC» (рисунок 3 [6]  и рисунок 4 [7].) 

  

Рис. 3. Фрагменты сближения одиночного стержня к ансамблю сборки электродов – моделирование условий воздействия ЭП грозовой напряженности [9].

В первом случае имитировалось статическое воздействие ЭП высокого уровня грозовой тучи в промежутке между двумя металлическими пластинами (рисунок 3). К нижней пластине была прикреплена сборка  стержневых электродов (ансамбль). Одиночный стержневой электрод размещался отдельно от сборки электродов. Верхние точки  электрода и сборки располагались на одной высоте.

  
Рисунок 4.Фрагменты сближения одиночного стержня к ансамблю сборки игольчатых электродов - моделирование условий воздействия ЭП приближающегося нисходящего лидера [10].

После подачи напряжения на пластины на одиночном электроде, расположенном на расстоянии от сборки больше его высоты, происходит искровой разряд, а на вершинах сборки электродов наблюдается свечение (атомов азота N) синего цвета, вызванное ионизацией воздуха (рисунок 3, а). При приближении электрода к сборке искрение прекращается в результате взаимодействия тела стержня с токами смещения (справа) электродов сборки, порождающего противоположно направленный индукционный ток. Из рисунок 3, б видно, что над вершиной одиночного электрода «прорастает» ионизационный ток, уже не переходящий в искровой разряд. Со стороны приближения одиночного электрода заметно увеличение ионизационного тока сборки, определяемого как результат взаимодействия их полей (см. рисунок 2). При дальнейшем сближении одиночный электрод становится частью ансамбля электродов сборки, что подтверждается снижением справа тока сборки на рисунок 3,в.

На рисунок 3 шар имитирует воздействие ЭП головки зарядов приближающегося нисходящего лидера МР. Приближаясь к устройству игольчатых электродов, одиночный электрод последовательно проходит следующие стадии взаимодействия с ЭП головки зарядов: искровые разряды (рисунок 3, а); эмиссия зарядов рисунок 3б; электрод становится частью устройства игольчатых электродов, рисунок 3в [7]. Над электродами нет объемного заряда и нет искрового пробоя!

Именно механизм противодействия на рисунок 2 в ансамбле стержневых электродов (игл) является управляющим (экранирующим) устройством, которое, защищая объект в условиях грозы, задерживает формирование восходящего лидера, и создает условия для переноса взаимодействия приближающегося нисходящего лидера с восходящим каналом в другом месте (в молниеловушку в виде небольшого стержня).

Вывод

Существующие нормативные системы молниезащиты на базе Франклиновских стержней, провоцирующие молниевые разряды, не достаточно эффективны для защиты электротехнических комплексов и систем опасных производственных объектов. Перспективными могут быть системы молниезащиты на принципе блокирования развития молниевых разрядов в защищаемой области.
Целесообразно подготовить заявочные материалы, на базе предложений Функционального заказчика НИОКР, и их рассмотрение на одном из заседаний специализированной секции НТС ПАО «Газпром» для принятия решения о включении необходимых работ в рамках Программы НИОКР будущего периода.

Статью подготовил
Ермаков Константин Васильевич

Список литературы

1. Roy, B. Preventing direct strikes / В. Roy, Jr. Carpenter. // Lightning Eliminators & Consultants, Inc., August 2005.
2. Roy, B. A hybrid lightning strike protection system / В. Roy, Jr. Carpenter. // Lightning Eliminators & Consultants, Inc., August 2005.
3. Bazelyan, E.M. Non-stationary corona around multi-point system in atmospheric electric field» I. Onset electric field and discharge current / E.M. Bazelyan, Yu. P. Raizer, N. L. Aleksandrov // Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics. 2014, V. 109.
4. Ермаков, К.В. Рациональные электрофизические методы обеспечения защиты объектов и технических средств от воздействия прямых молниевых разрядов (часть II)» [Текст] / К.В. Ермаков, Ю.Г. Рябов. // Технологии ЭМС. – 2011. – №1.
5. Патент на изобретение № 2456727 от 20 июля 2012 г. (RU). Способ молниезащиты и устройство для его реализации / Ю.Г. Рябов, С.Н. Тюренков.
6. Интернет Канал 1 , Канал 2.
7. Интернет Канал 3.
8. Фрюнгель, Ф. Импульсная техника. (Пер. с немецкого) [Текст] / Ф. Фрюнгель. – М.-Л.: Энергия. – 1965.
9. Резвых, К.А. Расчет электростатических полей в аппаратуре высокого напряжения [текст] / К.А. Резвых. – М.: Энергия. – 1967.
10. Рябов, Ю.Г. Принципы модернизации молниезащиты жилых домов и сооружений [Текст] / Ю.Г. Рябов, К.В. Ермаков, С.Н. Тюренков // Технологии ЭМС. – 2014. – № 2 (49).