ф
МОПНИЕЗЯШИТЯ СЕГОДНЯ
Доктор технических наук Э.М. БАЗЕЛЯН
Молниезащита - первое практическое применение теории электричества. Всем известен хрестоматийный рассказ о запуске змея Бенджаменом Франклином в 1751 г. Змей поднял вверх тонкую металлическую проволоку. До грозового облака он не добрался, но всё равно из конца проволоки вылетела тонкая искра длиной в несколько сантиметров, как две капли воды похожая на ту, что проскакивает между шарами электростатической машины, где электрические заряды получаются трением двух различных диэлектриков. Логические построения Франклина описаны в десятках научных и околонаучных книг. Электрические заряды, мол, опустились к земле от облака по металлическому проводнику (не важно, что от змея до облака было 2-3 километра непроводящего воздуха). Это грозовое электричество и сформировало электрическую искру, уже тогда хорошо известную физикам. Искра была не слишком длинной, но ведь и электричества было немного. Во всяком случае, Франклин не пострадал, когда ток прошёл к земле через его тело. (Сколь неприятные ощущения он перенёс, знаю по себе - в экспедиции б в грозу приходилось крепить сорванную ^ шквалом антенну примерно такой же | длины, как проволока за змеем.) Даль° ше он предположил, что большой элек-£ трический заряд должен рождать очень I длинную искру, а это - не что иное, как £ молния. Открытие состоялось, физика 1 молнии объяснена. Остаётся вспомнить, 1 что в экспериментах с электростатичес-1 кой машиной искры рождались тем лег-| че, чем короче был воздушный проме-
^ г-»
? жуток между электродами. В грозовом ^ небе этот промежуток образуется заряженным облаком и поверхностью земли. Значит, надо укоротить его, подняв
по возможности более высокий заземлённый стержень. Это заставит молнию направляться к стержню, а менее высокие наземные сооружения не пострадают. Так был изобретён громоотвод. Сегодня это устройство называют молниеотводом.
Изобретение произвело на современников впечатление не меньшее, чем те логические построения, что легли в его основу. М.В. Ломоносов сформулировал их на редкость чётко в стихотворном послании И. И. Шувалову "О пользе стекла":
Внезапно чудный слух по всем странам течёт, Что от громовых стрел опасности уж нет! Что та же сила туч гремящих мрак наводит, Котора от Стекла движением исходит, Что зная правила, изысканны Стеклом, Мы можем отвратить от храмин наших гром.
Текст вполне понятен современному читателю, если помнить, что речь идёт о стеклянном диске электростатической машины.
Как видите, можно считать, что уже в XVIII веке человек победил молнию. Сегодня эту победу правильнее отнести в разряд пирровых. Все знают старинную гравюру с искровым разрядом, поразившим в 1753 г. русского исследователя атмосферного электричества Георга Рихмана. Но дело не только в его трагической гибели. Пленение молнии оказалось кажущимся. Далеко не всегда направлялась она по кратчайшему пути к молниеотводу. Иногда её путь с множеством немотивированных причудливых изгибов заканчивался не на вершине молниеотвода, а на том самом сооружении, которое молниеотвод так и не сумел надёжно защитить. Предельно четкий принцип, сформулированный Франклином, на деле исполнялся далеко не всегда. Столь же немотивированным образом ведёт себя и длинная
10
© Э.М. Базелян
Рис. 1.
Серия фотографий длинной искры.
ф
искра, которой современные исследователи пытаются моделировать молнию. На рис. 1 представлена серия фотографий длинной искры. Они получены осенью 1910 г. на открытом высоковольтном стенде, когда специалисты в очередной раз пытались уточнить механизм формирования траектории молнии. Во время эксперимента не менялись ни атмосферные условия, ни напряжение на разрядном промежутке. И всё-таки целенаправленного движения искрового канала к вершине трёхметрового стержня (он моделирует молниеотвод) нет и в помине. Точка удара случайным образом перемещается по поверхности заземлённых электродов, которые моделируют стержневой молниеотвод и защищаемый объект.
В проведённом эксперименте снято несколько тысяч фотографий. На каждой из них совершенно неповторимая траектория разряда. Иногда искра отклоняется в сторону настолько сильно, что ударяет в поверхность земли на расстоянии нескольких метров от стержня. Ничего подобного Франклину видеть не приходилось - слишком мал был у него масштаб явления. Кстати, на малость масштаба уже тогда обратил внимание Ломоносов. В его стихах это звучало так:
Вертясь, Стеклянный шар даёт удары с блеском, С громовым сходственны сверканием и треском. Дивился сходству ум; но, видя малость сил, До лета прошлого сомнителен в том был.....
Малость сил (мы бы сейчас сказали -малость масштаба) - для него столь же р серьёзное преткновение, что и для со-Г временных исследователей. Специали-| сты до сих пор спорят о правомочности § переноса на молнию результатов мои- дельных экспериментов, даже если те 1 выполнены в промежутке длиной более ® 30 м. Предмет спора - количественные I оценки, потому что в отношении качест-1 венной общности механизма особых со-1 мнений уже нет.
== И длинная искра, и молния прокла-§" дывают свой путь благодаря лидерному ^ процессу. Так называют формирование тонкого хорошо ионизованного плазменного канала. В лабораторных воздушных
12
промежутках он движется со скоростью (2-4)104 м/с, у молнии скорость лидера на порядок больше. Лидер довольствуется в своём развитии исключительно слабым электрическим полем. В среднем по разрядному промежутку оно может быть куда меньше 1 кВ/см, и это при том, что для ионизации воздуха в нормальных атмосферных условиях требуется как минимум 30 кВ/см. Дело в том, что природа нашла удивительно экономный способ плазменного строительства. Сильное электрическое поле существует только в области головки лидера, где и ионизуется воздух, рождая новый участок канала лидера. Дальше по каналу поле примерно на 2 порядка слабее, тем не менее, плазма не распадается, потому что воздух в канале нагрет примерно до 6000°С.
Возможность столь интенсивного нагрева обеспечена на редкость изящным образом. Пожалуйста, взгляните на снимок лидера (рис. 2). Он сделан в промежутке длиной около 10 м электронно-оптическим преобразователем с экспозицией 250 мкс. Электронный затвор закрылся перед контактом канала с поверхностью земли. Собственно канал (на снимке он наиболее яркий) окружён светящимся чехлом. Этот след оставили длинные тонкие плазменные нити - стримеры, которые непрерывно стартовали из области головки канала. Длина стримеров у лабораторной искры несколько метров, у молнии - до нескольких десятков метров. Стримерная плазма холодная и потому сохраняет проводимость не больше микросекунды. Но стримеров очень много, скорость их старта достигает 1010 с-1. В совокупности они организуют ток лидера, разогревая тем самым его канал. Стримеры выполняют ещё одну очень важную функцию. Внедряемый ими электрический заряд (он размещён в чехле), подобно обручам деревянной бочки, обжимает канал, не позволяя ему расширяться. Малый объём канала способствует более интенсивному разогреву.
Горячий канал лидера благодаря высокой проводимости фактически играет роль продолжения электрода, от кото-
ф
рого стартовал лидер. Сильное электрическое поле у лидерной головки обладает очень близкой к радиальной симметрией, а потому развитие лидера почти равновероятно в пределах полусферы. Именно в этом причина тех причудливых траекторий, что прочерчивают молнии в небе и длинные искры в высоковольтных залах.
Перед вами (рис. 3) одна из фотографий удара молнии в Останкинскую телебашню. Правда, впечатляет? Во всяком случае, трудно утверждать, что молния всегда выбирает для себя кратчайший из возможных путей. Тем не менее, молниеотводы работают, и пока никто не собирается от них отказываться. Практически невозможно обеспечить 100-процентную надёжность защиты при помощи молниеотвода, но снизить вероятность поражения объекта на 1-2 порядка величины - вполне реально. Современная молниезащита борется за то, чтобы обеспечить такую реальность наиболее простым и надежным способом.
На рис. 4 схематически изображены стержневой молниеотвод и защищаемый им объект. Молния, стартующая от грозового облака, может оказаться над ними в любой точке пространства, например, в точке А или Б. Дальнейший ход событий нетрудно предсказать из самых общих соображений. Подход к объекту из точки А преграждён молниеотводом, тогда как для молнии из точки Б путь свободнее. Строгий статистический расчёт показывает, что для молний слева молниеотвод эффективен, тогда как для "правых" разрядов надёжность защиты значительно меньше.
"Односторонность" работы одиночного стержневого молниеотвода удаётся устранить применением двух стержней, а еще лучше - четырёх, расположенных с четырёх сторон от защищаемого объекта. Идея использовать многократные молниеотводы родилась давно. Жаль, что они слишком медленно проникают в практику проектирования. В эффективности многократных молниеотводов сомнений нет, но до сих пор не предложено элементарной методики их расчётов, которая была бы доступна проек-
тировщикам. Максимум, на что они способны, - рассматривать молниеотводы попарно, потому что в отечественных нормативных документах сформулированы правила построения зон защиты двойных молниеотводов. Надо сказать, что за рубежом нет и такого. В стандарте по молниезащите Международной электротехнической комиссии не найти даже понятия многократных молниеотводов. Их коллективное действие не обсуждается, а каждый молниеотвод считается уединённым.
Трудности использования многократных молниеотводов не имеют под собой сколько-нибудь серьёзной основы, и возникли они в связи с ничем не мотивированной инертностью директивных органов страны. Специалисты давно научились рассчитывать системы молниеотводов любой сложности, определяя для них компьютерным расчётом вероятность прорыва молнии к объекту произвольной конфигурации и высоты. Процедура расчёта не требует длительного времени и доступна любому современному персональному компьютеру. Дело тормозится отсутствием средств для производства и сертификации т
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.