CC BY
49
УДК 621.316.9/614.8
Современная молниезащита зданий и сооружений. Часть 2
© А. С. Харламенков^
Академия ГПС МЧС России (Россия, 129366, г. Москва, ул. Бориса Галушкина, 4) АННОТАЦИЯ
Представлены технические решения с применением активных молниеприемников, работающих по принципу раннего выброса стримера (ESE), и устройств нейтрализации прямого удара молнии (DAS/CTS). Рассмотрены исследования эффективности действия данных систем молниезащиты. Указаны особенности применения ESE-молниеприемников и устройств DAS/CTS для защиты объектов в условиях грозовой активности. Приведены основные результаты анализа работы данных устройств на реальных объектах. Показана нецелесообразность использования устройств ESE и DAS/CTS взамен существующих классических молниеприемников.
Ключевые слова: молниезащита объектов; активные молниеприемники; пожарная безопасность; международный опыт; коммерциализация.
Для цитирования:Харламенков A. C. Современная молниезащита зданий и сооружений. Часть 2// Пожаро-взрывобезопасность/Fire and Explosion Safety. — 2020. — Т. 29, № 1. — С. 89-92.
И Харламенков Александр Сергеевич, e-mail: h_a_s@live.ru
Modern lightning protection of buildings and constructions. Part 2
© Aleksandr S. Kharlamenkov'
State Fire Academy of Emercom of Russia (Borisa Galushkina St., 4, Moscow, 129366, Russian Federation) ABSTRACT
Technical solutions using active lightning rods operating on the principle of Early Streamer Emission (ESE) and device neutralization direct lightningstrike (DAS/CTS) are presented. Studies of the effectiveness of the indicated lightning protection systems are considered. Features of the use of ESE and devices for protecting objects in thunderstorm conditions are indicated. The main results of the analysis of the operation of these devices on real objects are given. The inexpediency of using ESE and DAS/CTS devices instead of existing classic lightning rods is shown.
Keywords: lightning protection of objects; active lightning rods; fire safety; international experience; commercialization.
For citation: A. S. Kharlamenkov. Modern lightning protection of buildings and constructions. Part 2. Pozharo-vzryvobezopasnost/Fire and Explosion Safety, 2020, vol. 29, no. 1, pp. 89-92 (in Russian).
K AleksandrSergeevich Kharlamenkov, e-mail: h_a_s@live.ru
ВОПРОС:
В рубрике "Вопрос-Ответ" № 6 журнала за 2019 г. был представлен ряд технических решений молниезащиты зданий и сооружений от прямых ударов молнии и ее вторичных воздействий. Проведен анализ действующих нормативных документов по молниезащите объектов. Рассмотрены типовые системы молниезащиты, обеспечивающие защиту зданий от прямыхударов. Описан способ снижения опасных воздействий электромагнитной и электростатической индукции внутри объекта путем применения устройств защиты от импульсных перенапряжений (УЗИП). Отмечена нецелесообразность использования активных молниеприемников (ESE terminals) взамен существующих классических решений молниезащиты.
Существуют ли иные способы молниезащиты объектов, за исключением рассмотренных, и насколько они эффективны?
ОТВЕТ:
В первой части статьи [1] отмечалось, что нисходящий канал молнии всегда перехватывается одним из встречных восходящих разрядов (лидеров), развивающихся от возвышающихся заземленных конструкций с малым радиусом кривизны поверхности. Внедрение в проектно-эксплуатационную практику систем молниезащиты с установкой ЕЭЕ-молниеприемников преследовало цель более раннего (а значит, на большей высоте) перехвата нисходящего канала встречным лидером и увеличения их зоны защиты.
Рис. 1. Примеры различных конструкций ESE-молниеприемников (без учета масштаба)
Из года в год производители ESE-молниеприемников создают новые образцы, проводят испытания и снова требуют от властей узаконить применение оригинальных конструкций в системах молниезащиты. Несколько вариантов таких молниеприемников представлено на рис. 1. Наибольшую популярность получили ESE-молниеприем-ники, работающие на основе метода сбора объема CVM (Collection Volume Method). Такие устройства имеют форму гриба или сферы (Dynasphere) с выступающим заостренным электродом в центральной части. Главным препятствием, не позволяющим внедрять новые виды активных молниеприемников, является отсутствие натурных испытаний и статистических данных по применению образцов продукции. Высокие показатели эффективности продукции подтверждаются производителями путем проведения лабораторных испытаний, зачастую сильно отличающихся от полевых условий. В их публикациях отсутствуют данные о порядке проведения эксперимента, поэтому выводы по результатам исследований в таких статьях вводят читателей взаблуждение. При изучении рукописей по активным системам молниезащиты следует обращать пристальное внимание на то, кем и в каком журнале (или его разделе) опубликованы материалы. В мировом масштабе следует ориентироваться на точку зрения наиболее именитых специалистов в области молниезащиты и высоковольтной техники (V. Cooray, Э. М. Базелян, V. Rakov, A. M. Mousa, T. Kawa-mura, C. Mazetti и др.). В своих публикациях они приводят убедительные доводы о бесполезности ESE-молниеприемников и отмечают, что нет никакой разницы в эффективности перехвата молнии между классическими и ESE-системами [2-5]. Поэтому использование новых типов молниеприемников не может привести к расширению защищаемой ими зоны [6], которая по заявлению производителей превышает стандартные размеры в 5 раз.
По результатам анализа и исследования всевозможных вариантов конструкций активных молниеприемников было установлено, что для успешного инициирования встречного лидера с их вершины необходимо иметь дополнительный импульсный генератор с амплитудой не менее 0,5 МВ и длительностью воздействия 0,5 мс [3]. При меньшей длительности импульса развитиелидерной формы встречного разряда не может превышать 5 м, что несущественно расширит зону защиты. Многие про-
изводители объясняют эффективность активных стержней ранним выбросом встречныхстримерных разрядов в отличие от классических вариантов. Это не является преимуществом, так как в реальных условиях спуска нисходящего лидера встречные стримерные разряды могут несколько раз начинать свое развитие с вершин заземленных электродов, так и не перейдя в лидерную форму [7].
В активных молниеприемниках, в которых используется схема умножения напряжения, емкость накопительного конденсатора управляющего устройства должна составлять не менее 0,1 мкФ с накапливаемым зарядом 5 мКл [3]. Габаритные размеры такого конденсатора должны значительно превышать размеры современных конструкций активных молниеприемников, поэтому на сегодняшний день они остаются малоэффективными и дорогостоящими для пользователя. Большим потенциалом обладает система лазерного управления молнией, которая пока недостаточно апробирована на практике. Принцип действия такой установки заключается в создании и направлении в сторону грозового облака мощного лазерного луча, ионизирующего молекулы воздуха и образующего искусственно нагретый плазменный канал, который задает путь для развития молнии. Создание лазерного луча даже небольшой длины позволит преодолеть область коронного разряда, задерживающего развитие встречного разряда у вершины заземленного проводника, что спровоцирует более ранний перехват нисходящего канала молнии. Эффективность такого способа подтверждается результатами лабораторных исследований, представленных в [8]. Вариант управления молнией искусственно удлиняющимся "лазерным молниеприемником" представляется более реалистичным. Однако главным препятствием на пути реализации такой системы является отсутствие мощного импульсного источника энергии [9], поэтому создание эффективной системы лазерного управления молнией будет сопряжено со значительными денежными затратами на производство и реализацию таких устройств.
Если отсутствует возможность более раннего перехвата молнии, то есть смысл рассмотреть системы молниезащиты, в которых молниеприемники будут задерживать развитие встречных лидеров и тем самым предотвращать прямой удар в объект защиты. Данные устройства
DAS CTS PDCE СМСЕ
Рис. 2. Различные виды активных устройств защиты зданий от прямых ударов молнии
BCAT/BLT
относятся к активном молниезащите и имеют различные названия (рис. 2): DAS (Dissipation Array System — система рассеивающего массива); CTS (Charge Transfer System — система передачи заряда); PDCE (Pararrayos desionizantes de carga electrostática — молниеотвод-деионизатор электростатического заряда); CMCE (Múltiple Electric Field Compensator — многократный компенсатор электрического поля); BCAT/BLT (Bipolar Conventional Air Terminal/Bipolar Lightning Terminal — биполярный молниеприемник). Называть данные устройства молниеприемниками не совсем корректно, так как у них обратная задача — отводить молнию от себя. Идея использования многоточечного разрядника для нейтрализации облачных зарядов была впервые предложена чешским ученым Прокопом Дивишем еще в 1754 г. И только в 1971 г. начались попытки активного внедрения систем и устройств нейтрализации нисходящих лидерных разрядов молнии вСША. В течение последующих 10 лет работоспособность этих систем не раз опровергалась теоретическими и полевыми испытаниями на военных и правительственных объектах, но попытки их внедрения продолжаются и по сей день. Меняются названия и внешний вид молниеприемни-ков, но общий принцип действия остается неизменным. Он заключается в создании на верхушке конструкции
коронных разрядов на плотно расположенных проводниках или на электродах с большим радиусом кривизны. В системе DAS на полусферической поверхности расположено 5000-10000 металлических игл высотой около 10 см. Производители заявляют, что их совместное действие позволяет нейтрализовать (отводить от объекта) отрицательный нисходящий лидер за счет распределения общего заряда между иглами. Это должно привести к уменьшению напряженности электрического поля на вершине устройства и исключить образование встречного лидера [10]. Идентичный эффект предписывают всем аналогичным устройствам, но их влияние на нисходящий лидер заметно меньше DAS-системы из-за меньшей площади коронирующих поверхностей. Эффективность использования вышеперечисленных устройств в качестве нейтрализатора нисходящих разрядов молнии была опровергнута многими научными публикациями [11, 12]. Такие крупные организации, как CIGRE и NFPA, выпустили отдельные отчеты о неэффективности и даже опасности применения существующих активных молниеприемников и систем нейтрализации нисходящих лидеров для защиты зданий и сооружений [13,14]. В материалах отмечается, что устройства с большим радиусом кривизны поверхности, установленные над защищаемым объектом, снижают вероят-
Рис. 3. Повреждения строений, оборудованных активными молниеприемниками, в Малайзии
ность образования встречных разрядов по сравнению с обычными молниеприемниками приблизительно на 15 % при условии их расположения на высоте более 100 м отуровня земли. Поэтому положительный эффект от применения таких устройств можно наблюдать на объектах большой высоты с малой площадью сечения (труба, колонна, шпиль и т. п.). Для систем DAS можно рассматривать дополнительную защиту в верхней части объекта, расположенного под молниеприемником, от механического повреждения при прямом ударе молнии за счет его экранирования полусферической поверхностью молниеотвода и качественного заземления. Это не исключает попадания молнии в боковую поверхность конструкции защищаемого объекта. В заключение следует отметить, что за последние 10 лет специалистами было собрано достаточно данных по практическому применению активных молниеприемни-ков в Малайзии, занимающей по грозовой активности 3-е место в мире после Индонезии и Колумбии. Среднее число грозовых дней в году там колеблется в пределах 180-260, а число ударов молний на 1 км2 земной поверхности в год составляет 45-90, что в 30 раз больше по сравнению с Россией за аналогичный период. Именно из-за высокой грозовой активности в Малайзии остро стоит вопрос о способах защиты населения и территории отударов молнии, поэтому многие здания и сооружения оборудованы новейшими (активными)устройствами молниезащиты. Анализ работы этих устройств с начала 2000-х годов показал опасность применения активных молниеприемников [15]. Установка единичных стержней на объектах с большой площадью и доверительное отношение властей кзаявленным защитным характеристикам оборудования привели не только к повреждению самих зданий, но и к гибели людей. Примеры повреждений различных объектов защиты представлены на рис. 3.
Результаты исследований показывают, что и в обозримом будущем традиционные молниеотводы останутся основой молниезащиты. Поэтому следует не гнаться за дорогими новинками, способными защитить огромные площади отударов молнии, а больше внимания уделять совершенствованию и своевременному техническому обслуживанию существующих систем молниезащиты [16], которые, как показывает практика, на многих объектах находятся в плачевном состоянии. В следующей части статьи будут рассмотрены способы реализации профилактической (превентивной) молниезащиты для обеспечения безопасности производственных работ и персонала.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Харламенков А. С. Современная молниезащита зданий и сооружений. Часть 1 // Пожаровзрывобезопасность/Rre and Explosion Safety. - 2019. - Т. 28, № 6. - С. 89-91.
Информация об авторе
ХАРЛАМЕНКОВ Александр Сергеевич, старший преподаватель кафедры специальной электротехники, автоматизированных систем и связи, Академия ГПС МЧС России, г. Москва, Российская Федерация; e-mail: h_a_s@live.ru
2. Cooray V. The similarity of the action of Franklin and ESE lightning rods under natural conditions//Atmosphere. —2018. -Vol. 9, Issue 6. — P. 225-230. DOI: 10.3390/atmos9060225.
3. Базелян Э. M. Вопросы практической молниезащиты. — М. : ИМАГ, 2015. — 208 с.
4. Chrzan K. L. Early streamer emission terminals from the high voltage engineering perspective// Lecture Notes in Electrical Engineering. — 2020. — Vol. 599. — P. 773-783. DOI: 10.1007/978-3-030-31680-8 75.
5. Mousa A. M. Failure of the Collection Volume Method and attempts of the ESE lightning ROD industry to resurrect it // Journal of Lightning Research. — 2012. — No. 4, Issue 1. — P. 118-128. DOI: 10.2174/1652803401204010118.
6. Власов А. А. Активная молниезащита: принцип действия, анализ эффективности по сравнению с пассивной молние-защитой // Актуальные проблемы энергетики. — Минск : БНТУ, 2017. — С. 80-84.
7. Becerra M. Corona discharges and their effect on lightning attachment revisited: Upward leader initiation and downward leader interception //Atmospheric Research. —2014.—Vol. 149.
— P. 316-323. DOI: 10.1016/j.atmosres.2014.05.004.
8. Apollonov V. High-conductivity channels in space// Springer Series on Atomic, Optical, and Plasma Physics. — Cham : Springer, 2018. —Vol. 103. —326 p. DOI: 10.1007/978-3-030-02952-4.
9. Базелян Э. M., Райзер Ю. П. Механизм притяжения молнии и проблема лазерного управления молнией // Успехи физических наук. — 2000. — Т. 170, № 7. — С. 753-769.
10. Carpenter R. B., Jr., Carpenter P., Sletten D. N. Preventing direct lightning strikes. Rev. B. — Boulder, Colorado : Lightning Eliminators & Consultants, Inc., 2014. — 15 р.
11. Uman M.A., RakovV. A. Acritical review of nonconventional approaches to lightning protection // Bulletin of the American Meteorological Society. — 2002. — Vol. 83, Issue 12. — P. 1809-1820. DOI: 10.1175/bams-83-12-1809.
12. Rakov V. A., Uman M. A. Lightning: physics and effects. — Cambridge : Cambridge University Press, 2003. — 706 p. DOI: 10.1017/cbo9781107340886.
13. NFPA 780. Memorandum of Technical Committee on Lightning Protection. No. 1209 — Public Comment Review. — Quincy : NFPA, 2016. — 114 p.
14. CIGRE WG C4.405. Report. Lightning interception. Non-conventional lightning protection systems // Cooray V. / Ed. of Electra, 2011. — No. 258. — P. 36-41.
15. Hartono Z. A., Robiah I. The ESE and CVM lightning air terminals: A 25 year photographic record of chronic failures // APL 2017. The 10th Asia Pacific International Conference on Lightning (May 16-19, 2017, Krabi Resort, Krabi, Thailand).
— 6 p. URL: http://lightningsafety.com/nlsi_lhm/APL2017_ Hartono.pdf.
16. СкрипкоА. H., МисунЛ. В. К вопросу профилактики пожаров путем совершенствования средств молниезащиты // Пожарная безопасность: проблемы и перспективы. —2015.
— Т. 1, № 1(6). —С. 84-85.
Материал поступил в редакцию 27.01.2020 Received 27 January 2020
Information about the author
Aleksandr S. KHARLAMENKOV, Senior Lecturer of Department of Special Electrical Engineering, Automation Systems and Communication, State Fire Academy of Emercom of Russia, Moscow, Russian Federation; e-mail: h_a_s@live.ru
