научная статья по теме КОРОННЫЙ РАЗРЯД В МОЛНИЕЗАЩИТЕ Энергетика

Текст научной статьи на тему «КОРОННЫЙ РАЗРЯД В МОЛНИЕЗАЩИТЕ»

№ 3

ИЗВЕСТИЯ АКАДЕМИИ НАУК ЭНЕРГЕТИКА

2015

Едва ли не целый век молниезащита остается одним из ведущих направлений исследований для отечественных специалистов в области техники высоких напряжений. Современные исследования физики молнии начались в стране в начале 30-х годов прошлого века и всегда теоретические построения сочетались с прецизионным лабораторным экспериментом и с полевыми наблюдениями. Все это было направлено на разработку эффективных методов защиты от прямых ударов молнии и опасных воздействий ее электромагнитного поля. Российская IV конференция по молниезащите в мае 2014 г. стала подтверждением активного развития теории молнии и успешного решения прикладных задач.

В этом номере журнала публикуются некоторые доклады, отобранные Оргкомитетом конференции. Можно надеяться, что они дадут представление об уровне выполненных работ и расширят число участников очередной V Российской конференции по молниезащите, которую намечено провести в 2016 г.

В секциях конференции обсуждались результаты исследований механизма формирования молний в атмосфере и ее "продолжения" в виде искровых каналов в грунте, процесс ориентирования лидера молнии и эффективность активного воздействия на него, возможности лабораторного моделирования защитного действия молниеотводов, методы расчета ожидаемого числа прорывов молний к объектам различной высоты, компьютерное моделирование импульсных характеристик заземляющих устройств, новые средства ограничения перенапряжений в большой электроэнергетике и в микропроцессорной технике. Разнообразная тематика позволила участникам получить информацию о научных достижениях и активно участвовать в их обсуждении. В итоге были определены самые важные теоретические вопросы и намечены пути решения актуальных прикладных задач.

Для электроэнергетики актуальны разработки совершенных компьютерных моделей для расчета числа прорывов молнии к проводам линий высших классов напряжения, защищенных грозотросами. Значение таких работ велико сейчас, когда удалось сформировать банк данных об электрической прочности внешней изоляции при реальных грозовых воздействиях. Презентация банка данных состоялась на конференции. Важны также результаты экспериментальных исследований режимов растекания в грунте импульсных токов молнии и их компьютерное моделирование.

По материалам конференции можно говорить о реальном прогрессе в области отечественной экспериментальной техники и технических средств защиты от опасных воздействий молнии. Был заслушан доклад об успешном создании отечественного подвижного испытательного комплекса, способного имитировать импульсы тока молнии в таких протяженных объектах, как контур заземления современной подстанции. Участники конференции получили информацию о результатах полевых испытаний линейных мультиискровых разрядников принципиально нового типа, увидели серийно разработанные образцы датчиков тока молнии, пригодные для длительной эксплуатации на опорах воздушных линий. Были обсуждены сообщения о новых методологических разработках по совершенствованию молниезащиты в конкретных отраслях техники.

Проф. Базелян Э.М.

№ 3

ИЗВЕСТИЯ АКАДЕМИИ НАУК ЭНЕРГЕТИКА

2015

УДК 619.319.9

КОРОННЫЙ РАЗРЯД В МОЛНИЕЗАЩИТЕ

© 2015 г. Э.М. БАЗЕЛЯН

Энергетический институт им. Г.М. Кржижановского, Москва E-mail: bazelyan@eninnet.ru

На основании детальных исследований характеристик коронного разряда от наземных сооружений в электрическом поле атмосферы выполнен анализ возможных путей активного воздействия на грозовую деятельность. Показано, что любая наземная многоэлектродная коронирующая система не может разрядить грозовую ячейку и прекратить формирование молний. Воздействие коронного разряда проявляется только посредством перераспределения электрического поля у вершины молниеотвода и защищаемого им объекта. Показана бесперспективность применения ESE-молниеотводов. Предложена система параллельных тросовых коронирую-щих молниеотводов, использующая экранирующий эффект заряда короны.

Ключевые слова: грозовое электрическое поле, корона, молния, молниезащита, объемный заряд, многоэлектродная система.

CORONA IN LIGHTNING PROTECTION

E^. BAZELYAN

Krzhizhanovsky Power Engineering Institute, Moscow E-mail: bazelyan@eninnet.ru

Relying on the results of studies of the characteristics of corona discharge from ground facilities in the electrical field of the atmosphere, analysis of possible ways of active influence on thunderstorm activity was performed. It is shown that any ground multy-electrode corona system can not neutralize the charge of the thundercloud and stop the lightning formation. The impact of corona discharge occurs only by redistribution of the electric field at the top of the lightning rod and at the object protected by it. The futility of applying ESE-lightning conductors is shown. A system of parallel rope lightning conductors, that uses the shielding effect of the charge corona, formed on earthed (grounded) conductor, is offered.

Key words: thunderstorm electric field, corona, lightning, lightning protection, space charge, multy-electrode system.

Разрядить грозовое облако — эта идея появилась сразу после опытов Б. Франклина, когда он увидел электрическую искру от нити поднятого в облака змея. Конечно, выкачать заряд из грозовой ячейки не удастся, но казалось бы можно нейтрализовать его потоком ионов противоположного знака от поверхности земли. Источником этих ионов может быть корона. Она формируется в электрическом поле грозового облака от любого наземного сооружения, если его высота h и радиус кривизны вершины r0 обеспечивают подъем напряженности до порога зажигания самостоятельного разряда, E(r0) = Ecor.

t, c

Рис. 1. К оценке влияния радиуса вершины электрода на величину коронного тока. Высота электрода — 50 м; Ео — линейный рост до 40 кВ/м за 10 с

Результаты этой статьи основаны на многолетних теоретических исследованиях и результатах компьютерного моделирования короны в электрическом поле грозового облака исследовательской группой специалистов ЭНИН, ИПМ РАН и МФТИ [1—3]. Их цель — оценка практических возможностей повышения надежности молниезащиты за счет перераспределения электрического поля объемным зарядом короны и воздействия на условия инициирования и развития встречного разряда от наземных сооружений.

1. Формирование объемного заряда короной в атмосфере

Корона в электрическом поле грозового облака нестационарна, поскольку оно существенно изменяется во времени, а внешняя граница облака коронных ионов перемещается в атмосфере на значительное расстояние за характерное время межмолниевых пауз. Главное отличие нестационарной короны от стационарной состоит в том, что ток короны определяется не только мгновенным значением напряжения на разрядном промежутке, но и скоростью его роста во времени [1]. Вследствие этого ток в нестационарном режиме при высокой скорости роста поля атмосферы может многократно превышать ток стационарной короны. Чтобы удержать ток нестационарной короны на неизменном уровне, требуется непрерывно увеличивать внешнее электрическое поле. Необходимый закон роста поля во времени определяется геометрией ко-ронирующей системы. Так для электрода высотой h со сферической вершиной коронный ток не будет меняться во времени, если поле атмосферы нарастает как E0(t) ~ t1/3. Это следует из приближенного аналитического решения задачи [1] для поля E0, нарастающего по степенному закону E0(t) = AEtk, где (k Ф —1),

i(t) = 2ns^VhV^ = 2nsоЛ£3/2fe3/2j(k + 1)^3k -. (1)

В частности, для линейного роста поля грозового облака ток короны нарастает линейно, и при стабилизации E0 (k = 0) он снижается во времени.

Из (1) следует нелинейная зависимость коронного тока в атмосфере от подвижности коронных ионов ц, не свойственная стационарной короне. В выражении (1), справедливом при E0h > Ecorr0, не фигурирует радиус вершины электрода r0, что подтверждается результатами компьютерных расчетов для практически значимых величин r0 у

Я 600 к

о а о М

« 400

Н «

к л

ч «

£ К

й

200

20 40 60 80 100 Время роста грозового поля, с

10 л

л К

о р

о

м

аря

со

Рис. 2. Влияние времени роста грозового поля на характеристики короны. Высота электрода — 50 м. Поле Е0 растет линейно

8

6

4

2

0

стержневых молниеотводов (рис. 1). Это значит, что изменяя радиус молниеотвода нельзя повлиять на величину и распределение объемного заряда короны. Результат достаточно важный, когда требуется оценить эффективность активного воздействия на управление молнией.

Выражение (1) позволяет заключить, насколько сильно зависит заряд коронного облака об высоты коронирующего стержневого электрода. По результатам компьютерного моделирования эта величина вырастает от 0,6 до 28 мКл, когда расчетная высота стержневого электрода увеличилась от 10 до 200 м.

Закономерен вопрос — с чем сравнивать эти значения? Очевидно, что заряд одиночного очага короны не сопоставим с зарядом грозовой ячейки, близким по порядку величины к 10 Кл. Различие в три порядка величины исключает любую гипотезу о нейтрализации заряда грозового облака коронным током одиночного источника. Сопоставление с зарядом лидера нисходящей молнии также лишено смысла примерно, поскольку его величина в среднем близка к 3 Кл. Единственной сопоставимой величиной можно считать заряд вершины заземленного электрода, который в рассмотренном примере оценивается в несколько микрокулон. Это значит, что влияние заряда короны нужно отслеживать только в приэлектродной зоне (у вершины молниеотвода или защищаемого объекта), где оно может принципиально изменить распределение электрического поля.

Следует отметить, что изменение времени релаксации электрического поля грозовой ячейки между разрядами молний на величине заряда, внедренного короной, сказывается не принципиально (рис. 2).

Важным параметром для анализа является критический ток короны 1С0ГСГ, при котором она способна перейти в стримерную форму. Только после такого перехода в стебле стримерной ветви возможно инициирование встречного лидера, который согласно гипотезе Голда [4], активно участвует в процессе ориентировки

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком

Пoхожие научные работыпо теме «Энергетика»