CC BY
118
УДК 621.304 ББК 324я7
Л.М. РЫБАКОВ, СВ. ЛАСТОЧКИН
ИССЛЕДОВАНИЕ ПОВЕДЕНИЯ ЛИДЕРА МОЛНИИ
В СЕЛЬСКОЙ МЕСТНОСТИ ПРИ РАЗЛИЧНЫХ ВОЗДЕЙСТВУЮЩИХ ФАКТОРАХ ДЛЯ ВЫБОРА МОЛНИЕЗАЩИТЫ ОБЪЕКТОВ
Ключевые слова: линейная молния, лидер молнии, грозовой разряд, планирование эксперимента, радиус стягивания, воздействующие факторы, ориентация лидера молнии.
На основе многолетних наблюдений за поражаемостью молнией объектов в сельской местности при интенсивности грозовой деятельности 60-80 дней за грозовой сезон, проведены предварительные исследования с использованием активного планирования эксперимента по определению радиуса стягивания лидера молнии на поражаемой поверхности. В качестве воздействующих факторов приняты интенсивность дождя (Х]), скорость ветра (Х.2) и интенсивность ультрафиолетового излучения (Хз). Высота ориентировки лидера молнии (Н) выбиралась в зависимости от высоты h защищаемых объектов (и принималась равной 3h, 6h, 9h). Результаты лабораторных исследований показали, что при высоте ориентировки лидера молнии (3h-6h) защищаемые объекты не поражались, а при высоте ориентировки лидера молнии 9h имели место поражения от одного до трех домов из четырех установленных на экспериментальной площадке. Наибольшая поражаемость защищаемых объектов выявлена при совместном воздействии факторов (X]X2, ХХ3, ХХз) при высоте ориентировки лидера молнии 9h. Результаты экспериментов приведены на рисунках, отражающих воздействие различных факторов на поражаемость лидера молнии объектов, расположенных в сельской местности.
L. RYBAKOV, S. LASTOCHKIN STUDY LEADERS OF BEHAVIOR LIGHTNING IN RURAL AREAS IN DIFFERENT IMPACT FACTORS TO SELECTING LIGHTNING PROTECTION OBJECTS
Key words: linear lightning, lightning leader, lightning discharge, planning of experiment, contraction radius, influencing factors, lightning leader's orientation.
The article describes a preliminary research based on long-term observations on the vulnerability of objects in rural districts during the intensive thunderstorm activity accompanied by lightning for 60-80 days per thunderstorm season by use of active planning of experiment on the determination of the lightning leader's contraction radius on the affected surface. Influencing factors were represented by rain intensity (X]), wind speed (X.) and ultraviolet emission Хз). The height of the lightning leader's orientation (H) was determined by the height (h) of the objects under protection (and was taken as 3h, 6h, 9h). The results of the laboratory research showed that at the height of the lightning leader's orientation equaling to 3h-6h the protected objects were not affected, while at the height equaling to 9h the lightning affected from one to three houses out of four buildings erected on the testing site. The greatest susceptibility of protected sites was identified under the joint influence of factors (X]X2, X2X3, X]X3) at the lightning leader's orientation height of 9h which turned to be the most influencing factor. The experiments results are given in the pictures showing the effect of various influencing factors on the lightning vulnerability of buildings in rural districts.
Гроза - одно из самых интересных, распространенных и постоянно изучаемых явлений природы. Одновременно на планете происходит около 2000 гроз, это почти 100 ударов молний в минуту [1].
Линейная молния - это длинная искра, возникающая из-за значительного напряжения между грозовым облаком и землёй и несущая электрический за-
ряд. Разряд между грозовой тучей и землей обычно начинается с прорастания к земле слабосветящегося канала, движущегося толчкообразно со средними скоростями 102-103 км/с при напряженности поля 30 кВ/см. Этот предварительный разряд молнии назван ступенчатым лидером. Когда лидер достигает поверхности земли, начинается фаза главного разряда, воспринимаемая невооруженным глазом как разряд молнии [3].
Разряды молнии представляют большую опасность для людей, зданий, сооружений, инженерных коммуникаций, особенно находящихся вблизи водоемов. Опасными проявлениями молнии являются как прямой удар, так и вторичные воздействия - электромагнитная и электростатическая индукции. Это занос высоких потенциалов через наземные и подземные проводящие конструкции (провода линий электропередач, трубопроводы) с опасностью повреждения бытовой техники. Вторичные проявления молнии приводят к наведению потенциалов на металлических элементах конструкций, оборудовании, к опасности образования искрения внутри объекта [4].
В результате прямого попадания разряда молнии в здание и сооружение возникает серьезная угроза поражения электрическим током людей и домашних животных, возгорания, оплавления различных материалов, расщепления древесины и разрушения с образованием трещин в бетоне и кирпиче. Однако, даже в случае непрямого попадания в здание разряда молнии, волна перенапряжения может распространяться по коммуникациям на многие километры, что может впоследствии привести к мгновенному отказу дорогостоящего оборудования [7].
Для зданий и сооружений в сельской местности от поражений разрядами молний необходимы дальнейшие исследования по совершенствованию мол-ниезащиты объектов сельской местности.
В качестве объекта исследования были взяты 4 дома размером А*В*Н (см) (уменьшение методом электрографического моделирования в 100 раз), расположенные на закрепленном металлическом основании на расстоянии от центра ориентации лидера молнии. Модели домов были изготовлены из диэлектрического непроводящего материала без заземления крыш. В качестве параметров, влияющих на радиус стягивания лидера молнии на поражаемой поверхности (рис. 1), были взяты: интенсивность дождя, мм/мин (Х1), скорость ветра, м/с (Х2), интенсивность ультрафиолетового излучения, с (Х3).
Расположение защищаемых зданий и ориентация лидера молнии представлены на рис. 1.
Высота ориентировки лидера молнии над поражаемым объектом составляла: 1 - 3Н (21 см); 2 - 6Н (42 см); 3 - 9Н (63 см); Н - высота защищаемого объекта (Н = 7 см).
Полученные результаты планированного эксперимента приведены в табл. 2.
Таблица 1
Условия планирования эксперимента
Уровень факторов и интервалы варьирования Х1, мм/мин Х2, м/с Хз, с
Нижний уровень 1 2 30
Нулевой уровень 2 4 60
Верхний уровень 3 6 90
Интервал варьирования 1 2 30
...Канал лщера шлши
(скорости ветра, интенсивности дождя и ультрафиолетового излучения) на поражаемость объектов: 1, 2, 3, 4 - макет дома (объекты поражения); 5 - вентилятор; 6 - пульверизатор установка; 7 - установка ультрафиолетового облучения
Таблица 2
Результаты планированного эксперимента
№ п/п Фактор Высота Максимальный радиус поражения молнией Ях, опыт №1/№2/№3 Место повреждения опыт №1/№2/№3
1 Без факторов 3Н 5/5,6/6,0 земля/земля/земля
2 6Н 14/-/- земля/дом № 1/дом № 4
3 9Н -/-/- дом № 1/дом № 2/дом № 3
4 XX (Уь 1 мм/мин) 3Н 3/4/5 земля/земля/земля
5 XX (Уь2 мм/мин) 3Н 4/5/5,5 земля/земля/земля
6 XX (Уь 3 мм/мин) 3Н 9/12/14 земля/земля/земля
7 XX (У\, 1 мм/мин) 6Н 4/5/6 земля/земля/земля
8 XX (Уь 2 мм/мин) 6Н 7/9/10 земля/земля/земля
9 XXI (Уь 3 мм/мин) 6Н 13/15/17 земля/земля/земля
10 XX (Уь 1 мм/мин) 9Н 6/7/8 земля/земля/земля
11 XX (Уь 2 мм/мин) 9Н 10/11/13 земля/земля/земля
12 XX (Уь 3 мм/мин) 9Н 21/21/21 дом № 1, 4/дом № 2/дом № 3
13 XX (У1, 30 с) 3Н 1/1,5/3 земля/земля/земля
14 XX (Уь 60 с) 3Н 2/4/6 земля/земля/земля
15 XX (У1, 90 с) 3Н 8/10/12 земля/земля/земля
16 XX (У1, 30 с) 6Н 2/4/6 земля/земля/земля
17 XX (У1, 60 с) 6Н 7/8/10 земля/земля/земля
18 XX (У1, 90 с) 6Н 11/14/16 земля/земля/земля
19 XX (У1, 30 с) 9Н 13/16/18 земля/земля/земля
20 XX (У1, 60 с) 9Н 19/20/21 земля/земля/дом № 2
Окончание табл. 2
№ п/п Фактор Высота Максимальный радиус поражения молнией Ях, опыт №1/№2/№3 Место повреждения опыт №1/№2/№3
21 Х2Х3 (Кь 90 с) 9к 21 дом № 1, 3/дом № 2, 4/дом № 3, 4
22 Х1Х3 (1 мм/мин, 30 с) 3к 1,5/3/4,5 земля/земля/земля
23 Х1Х3 (1 мм/мин, 60 с) 3к 5/6,5/7 земля/земля/земля
24 Х1Х3 (1 мм/мин, 90 с) 3к 8,5/10/12 земля/земля/земля
25 Х1Х3 (1 мм/мин, 30 с) 6к 6/8/9 земля/земля/земля
26 Х1Х3 (1 мм/мин, 60 с) 6к 9,5/11/13 земля/земля/земля
27 Х1Х3 (1 мм/мин, 90 с) 6к 14,5/15,5/16 земля/земля/земля
28 Х1Х3 (1 мм/мин, 30 с) 9к 8/10/12 земля/земля/земля
29 Х1Х3 (1 мм/мин, 60 с) 9к 14/16/19 земля/земля/земля
30 Х1Х3 (1 мм/мин, 90 с) 9к 21 Дома № 2, 3/дом № 2/дом № 1, 4, 3
Результаты экспериментов в графической форме представлены на рис. 2-4.
3Б 8иг£аее РЫ (ВргеаавЬееП^а 10у*10е) У2 =-2,5556+0,4167x2 +
3Б 8игГаее РЫ (ВргеаавЬееН^а 10у*10е) У2 =-1,7778+ 0,1833x2 + №2
Рис. 2. Результат эксперимента по влиянию факторов Х]Х2 при 9 к
3Б 8иг£аее РЫ (ВргеаавЬееН^а 10у*10е) у =-11,1111+ 0,5833x2 + 0,0889х22
Рис. 4. Результат эксперимента по влиянию факторов Х1Х3 при 9к
Рис. 3. Результат эксперимента по влиянию факторов Х2Х3 при 9к
Данные наблюдений по Республике Марий Эл показали более частое поражение объектов, расположенных вблизи зон водоемов. Это обуславливается хорошей проводимостью подстилающей поверхности участка земли вблизи водоемов. На основании этой закономерности необходимо обеспечить максимально надежную и эффективную молниезащиту зданий и сооружений в сельской местности. Данная зависимость прослеживается в результатах лабораторных экспериментов.
По результатам проведенных исследований и собранных данных о поражае-мости объектов в сельской местности можно дать следующие рекомендации:
1. Включение внешней металлической облицовки и крыши здания в систему молниезащиты [9].
2. Защита зданий и сооружений в сельской местности отдельными молние-приемниками, соединенными с общей системой молниезащиты, если металлические части крыши нуждаются в защите от прямого удара молнии. Молниепри-емник должен находиться на безопасном расстоянии от указанного элемента.
3. Создание качественного заземляющего устройства для отвода на него импульсных токов молнии.
4. Необходимо проведение дальнейших исследований по защите объектов, расположенных в сельской местности, с использованием многофакторного эксперимента для определения радиуса стягивания лидера молнии на поражаемой поверхности с учетом интенсивности дождя, скорости ветра, интенсивности ультрафиолетового излучения с учетом интенсивности грозовой активности для исследуемых регионов.
Таким образом, для создания эффективной системы молниезащиты необходимо сочетание внешней и внутренней систем молниезащиты.
Литература
1. Базелян Э.М., РайзерЮ.П. Физика молнии и молниезащиты. М.: Физматлит, 2001. 320 с.
2. Базуткин В.В., Ларионов В.П., Пинталь Ю.С. Техника высоких напряжений: Изоляция и перенапряжения в электрических системах. М.: Энергоатомиздат, 1986. 464 с.
3. КарякинР.Н. Справочник по молниезащите. М.: Энергосервис, 2005. 879 с.
4. Кужекин И.П., Ларионов В.П., Прохоров Е.Н. Молния и молниезащита. М.: Знак, 2003.
5. Рыбаков Л.М., Макарова Н.Л. Изоляция и перенапряжения / Мар. гос.ун-т. Йошкар-Ола, 2013. 320 с.
6. Стекольников И.С., Борисов В.Н., Смирнов И.Г. Грозозащита зданий и сооружений в сельской местности. М.: Минкомхоз, 1956. 78 с.
7. Харечко В.Н. Рекомендации по молниезащите индивидуальных жилых домов, коттеджей, дачных домов. М.: Энергосервис, 2002. 176 с.
References
1. Bazelyan E.M., Raizer Yu.P. Fizika molnii i molniezashchity [Physics of lightning and lightning protection]. Moscow, Fizmatlit Publ., 2001. 320 p.
2. Bazutkin V.V., Larionov V.P., Pintal' Yu.S. Tekhnika vysokikh napryazhenii: Izolyatsiya i perenapryazheniya v elektricheskikh sistemakh [Technics of high pressure: Isolation and surge in electrical systems. Moscow, Energoatomizdat Publ., 1986, 464 p.
3. Karyakin R.N. Spravochnik po molniezashchite [Handbook of lightning protection]. Moscow, Energoservis Publ., 2005, 879 p.
4. Kuzhekin I.P., Larionov V.P., Prokhorov E.N. Molniya i molniezashchita [Lightning and lightning protection]. Moscow, Znak Publ., 2003.
5. Rybakov L.M., Makarova N.L. Izolyatsiya iperenapryazheniya [Isolation and overvoltages]. Ioshkar-Ola, 2013, 320 p.
6. Stekol'nikov I.S., Borisov V.N., Smirnov I.G. Grozozashchita zdanii i sooruzhenii v sel'skoi mestnosti [Lightning protection of buildings and facilities in rural areas]. Moscow, Minkomkhoz Publ., 1956. 78 p.
7. Kharechko V.N. Rekomendatsii po molniezashchite individual'nykh zhilykh domov, kotted-zhei, dachnykh domov [Recommendations for lightning protection of individual houses, cottages, country houses]. Moscow, Energoservis Publ., 2002, 176 p.
РЫБАКОВ ЛЕОНИД МАКСИМОВИЧ. См. с. 72.
ЛАСТОЧКИН СЕРГЕЙ ВАЛЕРЬЕВИЧ - аспирант кафедры электроснабжения и технической диагностики, Марийский государственный университет, Россия, Йошкар-Ола ([email protected]).
LASTOCHKIN SERGEY - post-graduate student of Electricity Supply and Technical Diagnostics Chair, Mari State University, Russia, Yoshkar-Ola.
