CC BY
71
УДК 621.316.9 ББК 3247.1-52
Л.М. РЫБАКОВ, Н.Л. МАКАРОВА, АО. ЗАХВАТАЕВА
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ СРЕДСТВ МОЛНИЕЗАЩИТЫ, ИСПОЛЬЗУЕМЫХ В СЕЛЬСКОЙ МЕСТНОСТИ
Ключевые слова: лидер молнии, активные и управляемые молниеотводы, атмосферное электричество, сопротивление заземления.
Целью данной статьи является совершенствование средств молниезащиты, используемых в сельской местности. Дана оценка изменения состояния количества атмосферного электричества в приземном слое в предгрозовой период. Для совершенствования молниезащиты объектов в настоящее время разрабатываются и используются активные молниеотводы. Современные активные молниеотводы основаны на прорастании встречного лидера от молниеотводов к нисходящему лидеру тока молнии, которые способствуют перехвату нисходящего лидера молнии и отводу разряда от защищаемого объекта. В зоне активного молниеотвода в период грозовой активности накапливается объемный заряд, который препятствует прорастанию восходящего лидера, что снижает уровень защиты объектов, поэтому необходимо совершенствовать систему молниезащиты, повышая ее эффективность до 100%. Для этого нужны дополнительные исследования по учету состояния атмосферного электричества нижних слоев атмосферы в предгрозовой период.
Отличительной особенностью молниезащиты в сельской местности по сравнению с условиями города, где сосредоточено большое число объектов, имеющих значительную высоту по сравнению с защищаемыми зданиями (дымовые трубы высотой 80-120 м; телевизионные, ретрансляционные вышки -80-100 м; вышки мобильной связи высотой более 80 м; жилые дома высотой до 50 м), является отсутствие высоких экранирующих объектов от разряда лидера молнии. Высота зданий в сельской местности не превышает двух этажей (высота не более 10 м). Инженерные сооружения - здания птицефабрик, ферм крупного рогатого скота, свиноферм в основном строятся одноэтажными.
В настоящее время происходит концентрация производства продукции животноводства с использованием средств автоматизации управления технологическими процессами в крупных животноводческих и птицеводческих фермах на основе микропроцессорных систем, которые чувствительны к внешним проявлениям токов молнии.
Для защиты объектов в сельской местности используются различные типы молниезащит: стержневые, тросовые, сетчатые, имеющие молниеприем-ник, токопровод и заземляющее устройство, эффективность этих молниеза-щит не превышает 90%.
Одними из путей совершенствования молниезащиты в последнее время за рубежом приняты разработка и использование активных молниеотводов для защиты объектов.
Некоторые виды активных молниеотводов показаны на рис. 1-3. Молниеотвод «^сЫйес» типа Е.8.Е. (рис. 1) характеризуется тем, что он активизируется с помощью эффекта роста напряженности электрического поля в атмосфере при грозе1.
1 Стандарт №С 17-102 (Франция). 2011.
Работа активного молниезащитного устройства «Forend» осуществляется за счет разности потенциалов, образующихся между грозовым облаком и поверхностью земли [1].
Активный молниеприемник «Eritech Dynasphere (Eritech System 3000)» представлен на рис. 3, он обладает свойством перехвата разрядов молнии и отвода их в землю, однако опыт длительной эксплуатации и эффективности защиты данного молниеотвода в технической литературе не представлен [4].
Рис. 1. Детали молниеотвода «ЗсЫйес»: 1 - молниеуловитель; 2 - ионный генератор; 3 - ускоритель заряженных частиц
и атмосферные электроды; 4 - вывод заземляющего устройства
, Нисходящим лидер \ молнии (заряд О}
у С Заряду лидера Q
Рис. 3. Активный молниеприемник «Eritech Dynasphere»
Рис. 2. Конструкция активного молниеприемника «Богепё»: 1 - наконечник; 2 - корпус из нержавеющей стали; 3 - формирующий блок; 4 - крепежный винт; 5 - резьбовое соединение с мачтой; 6 - мачта
Активный молниеотвод «М-200» показан на рис. 4 - изобретение ООО «Космос - Нефть - Газ». Электронный блок активного молниеотвода «М-200» работает по принципу автономного генератора, способного заряжаться от энергии электрического поля грозового фронта, и инициирует опережающий встречный лидер. Встречные лидеры также могут генерироваться от близлежа-
щих объектов при использовании пассивных молниеотводов. Для работы активного молниеотвода «М-200» не требуется внешнее питающее напряжение [5].
Средства активной молниезащиты пока не нашли отражения в существующей нормативной базе Ростех-надзора в РД 34.21.122-87 «Инструкция по устройству молниезащиты зданий и сооружений», поэтому возможности их использования на территории Российской Федерации ограничены.
Активные молниеприемники - относительно новый вид молниезащиты. Работы по совершенствованию этих систем должны продолжаться, так как имеются критические отзывы по данным молниеотводам [2, 7, 8, 9, 10]. Основным недостатком активных молниеотводов является отсутствие средств управления встречным лидером на нисходящий лидер в начальный период грозовой деятельности с учетом количественных показателей отношений положительных и отрицательных ионов.
Необходимы дальнейшие научные исследования по совершенствованию активных молниеотводов, которые придут на смену традиционным способам мол-ниезащиты.
В литературных источниках имеются данные по оценке состояния атмосферного электричества в нижних слоях атмосферы: среднесуточные значения концентраций положительных п+ и отрицательных п ионов; значения удельной электрической проводимости атмосферы р и плотности объемного заряда X, которые приведены на рис. 5.
Рис. 4. Внешний вид молниеприемника М-200
-Н-КН^
—
—г
----
—I—I—I
Рис. 5. Суточный ход значений концентрации положительных (п+) и отрицательных (п-) легких атмосферных ионов, удельной электрической проводимости атмосферы (р) и плотности объемного заряда (X)
Исследование показали, что в предгрозовой период атмосферное электричество меняется по количеству содержания положительных и отрицательных ионов на 1 см3.
ФСм/м 24
20
X
40
30
Р
20
10
Однако литературный обзор показал, что данных исследований в этом направлении недостаточно.
Нами были проведены исследования по измерению количества положительных и отрицательных ионов при разных погодных условиях за период грозового сезона с мая по сентябрь месяцы с помощью аэроионного счетчика МАС-01 [6]. Результаты полученных измерений в полевых условиях при ясной погоде, в предгрозовое и послегрозовое время приведены в таблице.
Отношение концентрации положительных и отрицательных ионов (п+/п-) при ясной погоде, в предгрозовое и послегрозовое время в открытой атмосфере, зарегистрированных в полевых условиях
Тип погоды Значения концентрации положительных и отрицательных ионов
опыт 1 опыт 2 опыт 3 опыт 4 опыт 5
Ясная погода 0,88 0,91 0,71 0,57 0,69
Предгрозовое время 133 124 128 130 127
Послегрозовое время 1,26 1,17 1,15 1,20 1,30
Разница между количеством атмосферных ионов в ясную погоду и предгрозовой период может служить для прогнозирования начала грозовой активности в данном регионе.
Из полученных наблюдений можно сделать вывод, что при прогнозировании грозовых разрядов молнии и для усовершенствования молниезащиты инженерных сооружений в сельской местности помимо повышенной влажности следует учитывать также отношение положительных и отрицательных ионов, которые в лабораторных условиях дают явную картину зависимости ионизационного состояния атмосферы и разрядов молнии.
В предгрозовой период у поверхности земли с превалирующей концентрацией находятся положительные ионы, во время дождя происходит спад концентрации катионов, после выпадения осадков наблюдается повышенная концентрация анионов (рис. 6).
Рис. 6. График движения атмосферных заряженных ионов при различных погодных условиях
Предлагается оснастить активный молниеотвод блоком управления для запуска восходящего лидера в период начала грозовой деятельности и предотвращения поражения зданий и сооружений в сельской местности. Блок-схема устройства приведена на рис. 7.
Рис. 7. Блок-схема управляемого активного молниеотвода
На рис. 8 приведен вид молниезащиты здания с использованием управляемого активного молниеотвода.
Рис. 8. Примерный вид молниезащиты здания с использованием управляемого активного молниеотвода: 1 - активный молниеотвод;
2 - изоляционная вставка; 3 - управляемый заземляющий спуск; 4 - пульт управления;
5 - заземлитель; 6 - малогабаритный аэроионный счётчик МАС-01
В качестве управляющего блока используется датчик включения управляемого молниеотвода, основанный на измерении разности атмосферных заряженных ионов в ясную погоду и предгрозовой период. При величине разности отношений п+/п- более 100 дается команда датчиком на включение управляемого молниеотвода. По завершении грозовых разрядов датчик приводит управляемый активный молниеотвод в исходное положение.
Преимущество предлагаемого молниеотвода - отсутствие сложных элементов, которые заряжаются от напряженности поля грозового облака и образуют восходящий лидер. Первый недостаток активного молниеотвода - при напряженности грозового облака и изменении траектории их движения заряд активных молниеотводов может быть недостаточным для создания встречного лидера. Это создает запоздалое движение восходящего встречного лидера к нисходящему от грозового облака. Указанные обстоятельства ухудшают грозозащиту зданий, сооружений, и молниезащита составляет не более 90%. Вторым недостатком существующих активных молниеотводов при раннем
запуске устройств ионизации от конца активного молниеотвода является создание значительного объемного заряда, который препятствует возрастанию встречного восходящего лидера к грозовому облаку. Это также снижает вероятность защиты объекта. Поэтому необходима разработка устройств по управлению объемным зарядом в месте выхода встречного лидера. Третьим недостатком являются сложное устройство генерации высокого напряжения, их недостаточная надежность, невозможность для многократного применения и необходимость ревизии после каждого срабатывания.
Для электроснабжения устройства генерации высокого напряжения и автоматизированного управления молниеотводом применяются нетрадиционные источники энергии (солнечное излучение), которые используются для включения привода ножей заземляющих устройств.
Интенсивность грозовой деятельности в регионе Средней Волги начинается с 20 апреля и продолжается до 20 октября. В данный же период увеличивается активность солнечного излучения, что является немаловажным фактом использования указанного энергоносителя в качестве работы автоматического электропривода.
Предлагается полезная модель на основе активного молниеотвода, подвергающегося следующей модернизации. Рядом с молниеотводом устанавливается солнечная панель как источник питания привода заземления. В нормальном режиме молниеотвод не заземлен. В предгрозовой период за счет роста зарядов атмосферного электричества срабатывает реле и напряжение, накопленное от солнечного элемента в аккумуляторе, подается на коммутационный аппарат для включения заземляющего устройства и нисходящий лидер от грозового облака ориентируется на заземляющее устройство молниеотвода.
Схема установки активного управляемого молниеотвода показана на рис. 9.
Рис. 9. Схема установки активного управляемого молниеотвода
Преимущества предлагаемого активного управляемого молниеотвода: 1. Срабатывает только при достижении максимального отношения атмосферных зарядов п+/п- > 100.
2. Длительность разрядных процессов составляет несколько секунд, что обеспечивает рост встречного лидера к нисходящему лидеру молнии.
3. Непрерывная готовность блока питания, работающего от солнечных элементов. Интенсивность работы солнечных элементов совпадает с интенсивностью грозовой деятельности для регионов средней Волги с апреля по октябрь.
Литература
1. Активное молниезащитное устройство FOREND // Technical Specifications of FOREND E.S.E. Active Lightning Conductors. 2013-2014. Available at: http://www.forend.com.tr/wp-content/uploads/katalog/forend_2014.pdf.
2. Базелян Э.М. Активные молниеотводы // Электротехнический рынок. 2008. № 4.
3. VII Всероссийская конференция по атмосферному электричеству (24-28 сентября 2012 г.): сб. тр. СПб.: ФГБУ «Главная геофизическая обсерватория им. А.И. Воейкова», 2012. 227 с.
4. Лопарев А. Молниезащита и заземление. Активная молниезащита // Каталог оборудования. 2011. Available at: http://www/kriz.kz/prev/index.php&option=com_k2&view=item&id=198: eritech-dynasphere&Itemid=273.
5. Пат. 2208887 Российская Федерация, МПК7 H 02 G 13/00, H 02 H 9/06. Установка молниеотводов; крепление их на несущих конструкциях с использованием разрядников с искровым промежутком / Матвеев В.М., Насонов С.В., Писаревский Ю.В.; заявитель и патентообладатель ООО ФПК «Космос-Нефть-Газ». № 2002116902/09; заявл. 24.06.2002; опубл. 20.07.2003.
6. Рыбаков Л.М., Ласточкин С.В. Исследование поведения лидера молнии в сельской местности при различных воздействующих факторах для выбора молниезащиты объектов // Вестник чувашского университета. 2015. № 1. С. 111-115.
7. Becerra M., Cooray V. The early streamer emission principle does not work under natural lightning. Proc. of 10th ICLP, oz do Iguaju, Brazil, Nov. 2007. http://www.acade-mia.edu/29888791/The_early_streamer_emission_principle_does_not_work_under_natural_lightning_.
8. Cooray V. Non conventional lightning protection systems. Proc. of 30th ICLP, Cagliari, Italy, Sept. 2010. Available at: http://www.iclp-centre.org/pdf/Invited-Lecture-Cooray-2010.pdf.
9. Rison W. Experimental Validation of Conventional and Non-Conventional Lightning Protection Systems. Available at: http://www.akihito-shigeno.com/files/Experimental_Validation_of_ Con-ventional_and_Non_Conventional_Lightning_Protection.pdf.
10. Uman M.A., Rakov V.A. A critical review of nonconventional approaches to lightning protection. Bulletin of the American Meteorological Society, 2002, vol. 83, iss. 12.
РЫБАКОВ ЛЕОНИД МАКСИМОВИЧ - доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой электроснабжения и технической диагностики, Марийский государственный университет, Россия, Йошкар-Ола (diagnoz@marsu.ru).
МАКАРОВА НАДЕЖДА ЛЕОНИДОВНА - кандидат технических наук, доцент кафедры электроснабжения и технической диагностики, Марийский государственный университет, Россия, Йошкар-Ола (diagnoz@marsu.ru).
ЗАХВАТАЕВА АЛЕНА ОЛЕГОВНА - магистрант кафедры электроснабжения и технической диагностики, Марийский государственный университет, Россия, Йошкар-Ола (alena_zah94@mail.ru).
L. RYBAKOV, N. MAKAROVA, A. ZAKHVATAEVA
IMPROVING MEANS OF LIGHTNING PROTECTION USED IN RURAL AREAS
Keywords: lightning leader, active and controlled lightning rods, atmospheric electricity, grounding resistor.
The purpose of this article is to improve the means of lightning protection used in rural areas. The estimation of changes of the amount of the atmospheric electricity in the surface layer in pre-storm period is shown. To improve the protection of objects from lightning, active lightning rods are currently being developed and used. Modern active
lightning rods are based on the germination of the counter leader from the lightning rod to the downward leader of the lightning current, which contributes to the interception of the downward leader of the lightning and the removal of the discharge from the protected object. In the area of active lightning protection system in the period of thunderstorm activity volumetric charge is accumulated preventing the germination of the upward leader, thus reducing the protection level of the objects. Therefore, it is necessary to improve the lightning protection system, increasing the efficiency to 100%. More research is needed to estimate the atmospheric electricity of lower layers in pre-storm period.
References
1. Aktivnoe molniezashchitnoe ustroistvo FOREND [Active molniezaschita device FOREND]. Technical Specifications of FOREND E.S.E. Active Lightning Conductors. 2013-2014. Available at: http://www.forend.com.tr/wp-content/uploads/katalog/forend 2014.pdf.
2. Bazelyan E.M. Aktivnye molnieotvody [Active lightning rods]. Elektrotekhnicheskii rynok [Electrotechnical market], 2008, no. 4.
3. VII Vserossiiskaya konferentsiya po atmosfernomu elektrichestvu (24-28 sentyabrya 2012 g.): sb. tr. [Proc. of VII Rus. Conf. on atmospheric electricity (24-28 September 2012)]. St. Petersburg, 2012, 227 p.
4. Loparev A. Molniezashchita i zazemlenie. Aktivnaya molniezashchita [Lightning protection and grounding. Active lightning protection]. Katalog oborudo-vaniya [Equipment catalog]. 2011. Available at: http://www/kriz.kz/prev/index.php&option=com_k2&view=item&id=198:eritech-dynasphere&Itemid=273.
5. Matveev V.M., Nasonov S.V., Pisarevskii Yu.V. Ustanovka molnieotvodov; kreplenie ikh na nesushchikh konstruktsiyakh s ispol'zovaniem razryadnikov s iskrovym promezhutkom [Installation of lightning conductors; fastening them to the supporting structures with the use of arresters with spark gaps]. Patent RF, no. 2208887, 2003.
6. Rybakov L.M., Lastochkin S.V. Issledovanie povedeniya lidera molnii v sel'skoi mestnosti pri raz-lichnykh vozdeistvuyushchikh _ faktorakh dlya vybora molniezashchity ob"ektov [The study of the behavior of the leader of lightning in a rural location with different influencing factors for the selection of lightning protection of objects]. Vestnik Chuvashskogo universiteta, 2015, no. 1, pp. 111-115.
7. Becerra M., Cooray V. The early streamer emission principle does not work under natural lightning. Proc. of 10th ICLP, oz do Iguaju, Brazil, Nov. 2007. http://www.acade-mia.edu/29888791/The_early_streamer_emission_principle_does_not_work_under_natural_lightning.
8. Cooray V. Non conventional lightning protection systems. Proc. of 30th ICLP, Cagliari, Italy, Sept. 2010. Available at: http://www.iclp-centre.org/pdf/Invited-Lecture-Cooray-2010.pdf.
9. Rison W. Experimental Validation of Conventional and Non-Conventional Lightning Protection Systems. Available at: http://www.akihito-shigeno.com/files/Experimental_Validation_of_ Conventional_and_Non_Conventional_Lightning_Protection.pdf.
10. Uman M.A., Rakov V.A. A critical review of nonconventional approaches to lightning protection. Bulletin of the American Meteorological Society, 2002, vol. 83, iss. 12.
RYBAKOV LEONID - Doctor of Technical Sciences, Professor, Head of the Department of Power Supply and Technical Diagnostics, Mari State University, Russia, Yoshkar-Ola.
MAKAROVA NADEZHDA - Candidate of Technical Sciences, Associate Professor of the Department of Electrical and Technical Diagnostics, Mari State University, Russia, Yoshkar-Ola.
ZAKHVATAEVA ALENA - Master's Program Student of the Department of Electrical and Technical Diagnostics, Mari State University, Russia, Yoshkar-Ola.
Ссылка на статью: Рыбаков Л.М., Макарова Н.Л., Захватаева А. О. Совершенствование средств молниезащиты, используемых в сельской местности // Вестник Чувашского университета. - 2017. - № 3. - С. 130-137.
