Исследование воздействия погодных факторов на площадь стягивания длинной искры в промежутке игла–плоскость Текст научной статьи по специальности «Физика»

УДК 621. 315

ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ ПОГОДНЫХ ФАКТОРОВ НА ПЛОЩАДЬ СТЯГИВАНИЯ ДЛИННОЙ ИСКРЫ В ПРОМЕЖУТКЕ

ИГЛА-ПЛОСКОСТЬ

М.В. ГУСЬКОВ

Марийский государственный университет, г. Йошкар-Ола

Приведены результаты экспериментальных исследований влияния климатических факторов на поверхность стягивания длинной искры в промежутке игла-плоскость. Выявлены и проанализированы воздействия трех климатических факторов: интенсивности дождя, скорости ветра и ультрафиолетового излучения

Ключевые слова: климатические факторы, поверхность стягивания, длинная искра, интенсивность дождя, скорость ветра, ультрафиолетовое излучение.

Введение

Согласно требованиям инструкции по устройству молниезащиты зданий и сооружений РД 34.21.122—87 [1] для ряда объектов ожидаемое количество поражений молнией является показателем, определяющим необходимость выполнения молниезащиты и ее надежность. Поэтому нужно располагать способом оценки этого значения еще на стадии проектирования объекта. Желательно, чтобы этот способ учитывал известные характеристики грозовой деятельности и другие сведения о молнии.

При подсчете числа поражений нисходящими молниями используется следующее представление: возвышающийся объект принимает на себя разряды, которые в его отсутствие поразили бы поверхность земли определенной площади (так называемую поверхность стягивания). Эта площадь имеет форму круга для сосредоточенного объекта (вертикальной трубы или башни) и форму прямоугольника для протяженного объекта, например воздушной линии электропередачи. Число поражений объекта равно произведению площади поверхности стягивания на плотность разрядов молнии в месте его расположения[1]. Это утверждение говорит о важности исследования поверхности стягивания. Например, для сосредоточенного объекта

N = п-Я02 ■п , (1)

где Я0 - радиус стягивания; п - среднегодовое число ударов молнии в 1 км2 земной поверхности.

Имеющаяся статистика поражений объектов разной высоты в местностях с разной продолжительностью гроз позволила ориентировочно определить связь между радиусом стягивания Я0 и высотой объекта И. Несмотря на значительный разброс, в среднем можно принять Я0 = 3И [1, 2]. Приведенные соотношения положены в основу формул расчета ожидаемого количества поражений молнией сосредоточенных объектов и объектов с заданными габаритами в приложении 2 РД 34.21.122—87[1]. Опасные проявления разрядов молнии связаны с параметрами разряда молнии и с условиями, в которых происходит разряд [2]. Поэтому знание условий, в которых протекает разряд, очень важно для прогнозирования его воздействия на различные объекты и, как следствие, для построения надежной молниезащиты [3]. По основной стадии разряда молнии собрано большинство данных наблюдений и измерений,

© М.В. Гуськов Проблемы энергетики, 2012, № 1-2

которые постоянно обновляются. Полной ясности по условиям протекания разряда в различных климатических условиях, влияющих на стадию разряда, нет. Это связано со сложностью сбора и интерпретации информации о параметрах и условиях протекания молнии, которые в большинстве случаев получены или дистанционными методами, или в специфических условиях (высокие башни, горы, триггерные молнии) и имеют малую выборку и очень большие статистические разбросы. При всех этих измерениях очень мало данных, в которых одновременно фиксировался бы весь комплекс параметров и среды разряда молнии (токовых, оптических, климатических и др.) [4, 5]. Для лабораторного исследования использование генераторов импульсных напряжений для определения погодных условий возможно, т. к. параметры разряда генератора и молнии схожи. Вследствие этого для исследования влияния климатических условий в дальнейшем использовался генератор импульсных напряжений ГИН-800 в лаборатории Марийского государственного университета [6].

Определение погодных факторов

Существует большое количество погодных факторов, которые могут повлиять на ориентацию лидера молнии. К основным факторам относятся: скорость ветра, интенсивность дождя, влажность воздуха, ультрафиолетовая ионизация, атмосферное давление, температура воздуха. В данной работе будет описано влияние только трех факторов: интенсивности дождя, скорости ветра, и ионизации воздуха [1]. Так как атмосферное давление изменяется в пределах 30 торр, то практически не оказывает никакого влияния на развитие волны ионизации, а следовательно на поведение стримера [7]. Перепад температуры окружающего воздуха может достигать 60 градусов, что никаким образом не повлияет на поведение стримера, так как температура канала стримера может достигать 2000-3000 градусов Цельсия, а температура канала лидера 4500-6000 градусов [2, 8]. Параметры факторов атмосферного давления и температуры воздуха изменяться не будут и останутся постоянными.

Описание лабораторной установки

Лабораторная установка представляет собой экспериментальный исследовательский комплекс (рис. 1), который включает в себя: генератор импульсных напряжений ГИН-800, модель промежутка игла-плоскость, установки для моделирования воздействующих факторов. Генератор импульсов напряжений позволяет получать импульсы до 800 кВ, что вполне достаточно для выполнения поставленной задачи. В результате многочисленных экспериментов большинство авторов пришло к выводу, что для определения точек поражения на модели объекта наиболее подходят импульсы положительной полярности [8]. При положительной полярности лидер имеет стреловидный характер и главный разряд начинается после того, как лидер коснется плоскости. Максимальные значения импульсов напряжения 1,2/50 мкс. Модель поверхности земли представляет собой горизонтально ровный металлический стол. Для удобства регистрации точки разряда и определения динамики изменения радиуса стягивания на металлическом столе располагается лист бумаги с кольцевой разметкой. Высота ориентации лидера молнии регулируется подвижным электродом, расположенным над центром плоскости. Высота ориентировки молнии уменьшена в 100 раз. Необходимо отметить, что масштаб лабораторного эксперимента 1:100 слишком мал, чтобы различать детали и строить далеко идущие прогнозы. В лабораторных промежутках моменты перехода лидера в сквозную фазу и возникновения встречного лидера почти не различимы. Вследствие этого не удается определить, когда начинается процесс ориентировки: процесс совпадает с моментом перехода лидера в сквозную фазу или управляется развитием встречного лидера от © Проблемы энергетики, 2012, № 1-2

заземленного электрода. Для молнии эти моменты могут быть достаточно сильно разнесены по времени, но прямой эксперимент практически невозможен [2].

Для исследования влияния на площадь стягивания длинной искры ультрафиолетового излучения применяется установка для имитации солнечного света, которая представляет собой светильник ультрафиолетового света. Степень ионизации характеризуется временем облучения в секундах. Интервал варьирования составляет 30 секунд. Для изучения влияния влаги на ориентацию лидера молнии служит установка для имитации дождя, которая представляет собой пульверизатор с изменяемой интенсивностью подачи воды. Измерение осадков производится с помощью специального сосуда, в который вода поступает через воронку. Подъем воды в сосуде на 1 мм - это литр осадков на одном квадратном метре. Интенсивность дождя определяется в миллиметрах, на которые поднимется уровень воды в измерительном сосуде за 1 минуту (мм/мин). Интервал варьирования составляет 1 мм/мин. Для изучения влияния ветра на ориентацию лидера молнии служит установка для имитации скорости ветра - вентилятор. Интервал варьирования 2 м/с.

Среднестатистический сельский дом имеет высоту 7 метров. Соответственно к принимается равной 7 метров. Использовалась градация высоты ориентировки тока молнии до поверхности земли: 3к, 4к, 5к, 6к,7к, 8к, 9к, т.е. 21, 28, 35, 42, 49, 56, 63 метра. На рисунке показан план средств моделирования воздействующих факторов и расположение установок, имитирующих воздействующие факторы.

Дождевая установка

Светильник УФО

Электрод

Вентилятор

А

Электрод плоскость

Макет дома

---1-

Рис. Схема проведения эксперимента по выявлению воздействующих факторов на макете

игла-плоскость

Результаты экспериментов

Если электрод игла абсолютно вертикален и находится строго перпендикулярно к электроду плоскости, то траектория канала искры имеет небольшое отклонение. Изменение траектории происходит при наличии электрода. Возможно, причина в том, что стримерная зона головки лидера доходит до электрода и направляет канал лидера в нужном направлении [2]. Исследование ориентировки проводилось путем перемещения макета дома, выполняющего функции электрода. Макет передвигался от большего радиуса к меньшему. Если путь канала искры проходил через макет дома результат фиксировался, если через модель поверхности земли, то макет дома, передвигался к контрольной точке на 5 мм. Как описано выше, поверхность стягивания для одиночно стоящих зданий представляет собой круг [1]. Поэтому для удобства измерений поверхность стягивания была ограничена кругом радиусом Я. Эксперименты проводились в следующей последовательности: с учетом воздействия фактора дождя Х\,, фактора ветра Х2 и фактора солнца Х3. В каждом эксперименте проводилось по десять опытов, каждый опыт состоял из тридцати испытаний. Из тридцати испытаний © Проблемы энергетики, 2012, № 1-2

выбирался наибольший радиус отклонения, который учитывался при определении среднего радиуса поверхности стягивания лидера молнии.

Первый эксперимент проводился без воздействующих факторов. Результаты отражены в таблице.

Таблица

Средний радиус поверхности стягивания при воздействии факторов: интенсивность дождя, скорость ветра, время облучения

Высота ориентировки Радиус стягивания без факторов, Я, м Фактор дождь Х1 Фактор ветер Х2 Фактор солнце Х3

1 мм 2 мм 3 мм 2 м/с 4 м/с 6 м/с 30 с 60 с 90 с

3И 11,5 12 13,5 15 9,5 8 5 10 8,5 8,5

4Н 14 15 16 18 12,5 10,5 8 13 11,5 11,5

5И 16,5 11,5 18,5 20 15 13,5 10,5 15,5 14 14

6Н 19 19,5 20,5 22,5 11 15,5 12,5 11,5 16 16

1Н 20,5 21,5 23 24,5 19 11,5 14,5 20 18 18

8Н 22,5 23,5 24,5 26,5 21 19,5 16,5 21,5 20 20

9Н 24,5 25,5 26, 28 22,5 21 18,5 23,5 21,5 21,5

Второй эксперимент проводился при воздействии фактора дождя. Исследования проводились при значениях интенсивности дождя 1 мм, 2 мм и 3 мм. Полученные данные занесены в таблицу.

При воздействии фактора дождя происходит увеличение площади поверхности стягивания. Это объясняется тем, что вода, применяемая в эксперименте, дистиллированная, т.к. дождевая вода считается дистиллированной. Дистиллированная вода обладает более высокой проводимостью, чем сухой воздух. Высокая проводимость приводит к увеличению количества стримеров. Чем больше стримеров образуется между электродами, тем больше площадь, на которой создаются каналы для протекания тока разряда. Конечно не все разряды протекают по увеличенным траекториям, но их количество растет с нарастанием интенсивности дождя.

На следующем этапе исследования выявляли влияние скорости ветра на площадь поверхности стагивания. Исследования проводились при трех скоростях ветра: ¥1=2 м/с; У2=4 м/с; ¥3=6 м/с. (см. таблицу).

При наличии ветра происходит уменьшение площади поверхности стягивания. Возможно, это объясняется следующим образом. Между электродами прорастает тонкий ионизированный канал, который прокладывает себе путь по положительно заряженному следу первой мощной лавины электронов. Лавины появляются вблизи первичной лавины от электронов, появившихся под воздействием фотонов, которые испускаются возбужденными атомами при прохождении первичной и вторичных лавин [4]. Поток воздуха смещает часть электронов со следа лавин, в связи с чем для резкого повышения числа электронов в лавине необходимо большее количество энергии для увеличения объемного заряда. В тот момент, когда объемный заряд начинает сильно влиять на электрическое поле, меняются свойства электронного облака, что ведет к образованию стримера. В процессе прорастания стримера, перед головкой в области сильного поля, должна происходить мощная ионизация молекул воздуха ударами электронов. Электроны, появившиеся вдалеке от головки стримера, смещаются потоком воздуха, что приводит к уменьшению количества лавин ионизации вблизи от головки стримера. Вследствие этого уменьшается длина стримера и количество новых участков стримерных каналов. Чем короче длина стримера, тем меньше площадь поверхности стягивания искры.

© Проблемы энергетики, 2012, № 1-2

На следующем этапе эксперименты проводились с использованием установки для ультрафиолетового излучения промежутка электрод игла-электрод плоскость и временем экспозиции 30, 60, 90 секунд (см. таблицу).

При воздействии ультрафиолетового излучения происходит уменьшение площади поверхности стягивания, потому что ультрафиолет ионизирует воздух между электродами, вследствие чего стримеры, которые образуются на траектории короткого пути, быстрее создают канал для протекания тока искры. При экспозиции 60 и 90 секунд данные практически не отличаются.

Заключение

Проведены исследования по влиянию факторов дождя, ветра и ультрафиолетового излучения на величину площади поверхности стягивания длинной искры.

Выявлено:

1) при воздействии фактора влаги площадь поверхности стягивания увеличивается;

2) при воздействии фактора ветра площадь поверхности стягивания уменьшается;

3) при воздействии ультрафиолетового облучения площадь поверхности стягивания уменьшается.

Summary

Results of experimental researches of influence of climatic factors on a surface of tightening of a long spark in an interval a needle a plane are resulted. Influences of three climatic factors are revealed and analysed: intensity of a rain, speed of a wind and ultraviolet radiation.

Keywords: climatic factors, tightening surface, long spark, intensity of a rain, speed of a wind, ultra-violet radiation.

Литература

1.Инструкция по устройству молниезащиты зданий и сооружений. РД 31.21.122-87/Минэнерго СССР. М.: Энергоатомиздат, 1989. 56 с.

2. Базелян Э.М., Райзер Ю.П. Физика молнии и молниезащиты. М.: Физматлит, 2001.

3. Гуськов М.В., Рыбаков Л.М. Вопросы совершенствования молниезащиты сельских домов// Региональная энергетика и электротехника проблемы и решения. 2008. С. 126-132.

4. Темников А.Г., Орлов А.В., Макальский Л.М. Влияние магнитного поля канала искрового разряда на условия его формирования и развития// Электричество. 1995. №4. С. 10-14.

5. Темников А.Г., Орлов А.В., Черненский Л.Л. и др. Исследование динамики формирования главного разряда из искусственных облаков заряженного водного аэрозоля как аналога природной молнии // Вестник МЭИ. 2006. №6. С. 134-139.

6 Гуськов М.В., Мухамадшин Н.В., Рыбаков Л.М. Экспериментальное исследование поражения молнией домов в сельской местности// Механизация и электрификация сельского хозяйства. 2009. №1. С. 35-36.

7. Базелян Э.М. , Райзер Ю.П. Искровой разряд/М.: МФТИ, 1997. 320 с.

8. Кужекин И.П., Ларионов В.П., Прохоров Е.Н. Молния и молниезащита. М.: Знак, 2003.

330 с.

Поступила в редакцию 18 июля 2011 г.

Гуськов Михаил Вячеславович - аспирант кафедры «Электроснабжение и техническая диагностика» Марийского государственного университета. Тел.: 8 (902) 6645654. E-mail: mihailguskov1@rambler.ru.

© Проблемы энергетики, 2012, № 1-2