Электрофизика
Макальский Л.М., кандидат технических наук, доцент
Пронин Б.В., кандидат технических наук, доцент
Хусаинов Ш.Г., доктор педагогических наук, профессор (Российский государственный
аграрный университет - МСХА имени К.А. Тимирязева)
Сысоев В.С.,кандидат технических наук, старший научный сотрудник Московского энергетического института
ИССЛЕДОВАНИЕ МОЛНИЕЗАЩИЩЕННОСТИ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ
ОБЪЕКТОВ
В работе рассматривается возможность системного применения методов определения мол-ниепоражаемости объектов сельскохозяйственного назначения с помощью традиционного генератора импульсных напряжений (ГИН) и генератора заряженных аэрозолей (ГЗА). Показано, что для формирования условий и статистики поражения объектов эффективно использование ГЗА.
Ключевые слова: молниепоражаемость, молниезащищенность, заряженные аэрозоли.
THE STUDY OF MANASAMANGOTH AGRICULTURAL OBJECTS
In the process we are looking at the possibility of system integration for methods of defining the destruction caused from lightning strikes on objects that have an agricultural purpose by a traditional generator of electric impulse (GEI) and a generator of charged aerosols (GCA) is considered. It is shown, that to form the conditions and statistics of lightning strikes on objects, the usage of GCA is effective.
Keywords: manuaalisesti, manasamangoth, the charged aerosols.
Учитывая постоянную насыщаемость сельскохозяйственных объектов вычислительной техникой и автоматическими устройствами, с учетом применения новых материалов, из которых изготавливают объекты, опасными факторами для сельскохозяйственных сооружений является их поражение разрядом молнии и влияние электромагнитных импульсов. Удары молнии приводят к возгораниям и пожарам, нарушениям электроснабжения, выходу из строя систем автоматики и применяемого электронного оборудования, а иногда и к падежу животных и несчастным случаям. На вычислительную технику и автоматику воздействует даже не прямое попадание молнии, а наведенные электромагнитные излучения, которые выводят из строя дорогостоящую цифровую технику и приборы.
Традиционной защитой от ударов молнии являются молниеотводы, защитная зона которых с большой вероятностью ограничивает попадание молний в защищаемый объект [1, 2]. В то же время расчетные методики, по которым рассчитываются высота и размещение молниеприемников, имеют недостатки, заключающиеся в том, что они для конкретных объектов не проверены на практике. Гарантировано защищающие системы от молнии могут
быть излишне дорогими, а более простые системы могут привести к нежелательным последствиям и экономическим потерям.
Для надежной экспериментальной проверки защиты объекта обычно применяются модельные испытания. При этом используется уменьшенная модель объекта с сохранением в ней геометрических соотношений и она помещается под стержневой электрод, на который подается импульсное напряжение [3]. Развивающиеся разряды со стержня имитируют спускающийся канал молнии, а его попадание на объект или молниеприемник определяют вероятность поражения объекта. При этом используется сравнительно дорогостоящий генератор импульсного напряжения (ГИН), напряжение на котором должно достигать нескольких миллионов вольт. В экспериментах используются многократные разряды и последовательное размещение стержневого электрода в различных зонах над объектом. Необходимо проверить пробои воздушных промежутков при различном расположении стержневого электрода и устанавливаемых молниеприемников при их разной высоте, поэтому требуются многочасовые и дорогостоящие испытания.
В настоящее время разработаны генераторы заряженного аэрозоля, которые позволяют формировать модель заряженного облака с предельными по объемной плотности зарядами. Формируемые облака позволяют получать в заданном пространстве, обеспечивая напряженности электрического поля достаточные для развития спускающихся и встречных лидерных разрядов. Если поместить под заряженным облаком уменьшенную геометрическую модель даже сложного комплекса защищаемых сооружений, то возникающие разряды из облака позволят установить опасные для грозопоражаемости места комплекса и обеспечить надежную статистику разрядов. Такая модель в большей мере отражает природные физические процессы, связанные с развитием разрядов над объектами.
В РГАУ - МСХА имени К.А. Тимирязева для исследования молниепоражаемости сельскохозяйственных производственных комплексов используется генератор заряженного аэрозоля, изготовленный в Московском энергетическом институте. ГЗА позволяет получать заряженный водный конденсат. Аэрозоль образуется из пара воды находящегося под давлением 0,4-0,6 МПа при его конденсации в атмосфере после прохождения профилированного сопла. Частицы аэрозоля имеют размеры частиц 0,3-0,5 мкм. Зарядка осуществляется за счет коронного разряда иглы, установленной по оси сопла (рис.1). Электрический заряд каждой заряженной частицы соответствует от 1 до 6 элементарных зарядов. Ежесекундно во внешнюю зону переносится заряд 100-300 мкКл.
Датчик эяектричвстго подл N
Пулъ тоеая
Рис. 1. Физическая модель грозового облака (разряд с заряженного аэрозоля)
Рис.2. Фотографии электрического разряда в облаке заряженного аэрозоля
Для испытания сельскохозяйственных сооружений на молниезащищенность поток аэрозоля направлялся вдоль поверхности земли или под углом (14-20)0. В этом случае электрически заряженное облако на выходе ГЗА имеет форму раскрывающегося конуса, с выпуклым сферическим основанием. Модели защищаемых сельскохозяйственных объектов располагались в области сформированного сферического образования облака. Размеры вписанной сферы имели размеры близкие к 1 м. Учитывая, что реальные размеры грозовой ячейки в грозовом облаке имеют размеры 100-200 м, необходимо выбирать масштаб моделирования 1/100, 1/200. Формируемое сферическое заряженное образование формировалось на высоте 1-1,5 м, что соответствовало ориентации лидера с высоты 200-300 м. В этом случае имеется временная и пространственная возможность формироваться встречному стримеру и лидеру с элементов модели объекта.
Напряженность на поверхности земли без конструкций достигала 5-10 кВ/см. Модельные конструкции сельскохозяйственных объектов (силосные башни, коровники, отдельные характерные для сельской местности постройки, сельскохозяйственные машины и механизмы), усиливали электрическое поле в 4-6 раз. Благодаря таким характеристикам моделирования можно сделать вывод о том, что именно в этом случае могут возникать встречные лидеры, что свидетельствует о возможном поражении отдельно стоящих сельскохозяйственных объектов.
Исследования проводились с использованием оптико-электронных приборов и измерялись токовые характеристики разряда на элементы моделей объектов.
Применение электронно-оптического преобразователя (ЭОП) - фотоэлектронной камеры ФЭР-14 позволило регистрировать начало электрического разряда в облаке заряженного аэрозоля (рис.2), его продвижение к модельным объектам, возникновение встречного лидера в сторону спускающегося основного разряда из облака. Регистрируемые временные и пространственные развертки разряда позволили установить скорости продвижения основного лидера, времени зарождения и скорости продвижения встречного лидера. Проведенный анализ характерных ЭОПограмм и токовых характеристик разряда позволяет сделать вывод, что моделирование разрядов из облака аналогично формированию разрядных явлений от ГИНа. Расчеты предразрядного состояния облака показывают, что потенциал в зоне зарождения разряда соответствует 1-2 МВ. Анализ пространственно-временных смещений зарядов стримеров и лидеров, позволяет определять ЭМИ вблизи защищаемых объектов.
Моделирование с применением заряженного аэрозольного облака с предельными по заряду характеристиками имеет ряд преимуществ по сравнению с определением молниепоражаемости при использовании генераторов импульсного напряжения:
• необходимая статистика по поражению модельных объектов набирается в течение малого времени (из облака возникают разряды через каждые 30-60 с, а при использовании ГИН несколько минут);
• возможно документирование разрядов по отдельным объектам и молниеприемникам путем фоторегистрации в любое время суток, при любой погоде;
• отсутствует обратные токи в разрядах, которые имеют место при использовании ГИН,
которые делают методику регистрации молниепоражаемости менее энергоемкой;
• понижаются требования к технике безопасности при применении ГЗА;
• массогабаритные размеры установок с моделированием молниепоражаемости при
использовании ГЗА существенно меньше типовых установок с ГИНами;
• Методика с использованием генератора заряженных аэрозолей имеет больший ресурс
для проведения испытаний на молниезащищенность, чем традиционные установки с генераторами импульсных напряжений;
• стоимостные показатели установок и испытаний на молниезащищенность становится
доступны для проверки на молниезащищенность сельскохозяйственных объектов и комплексов.
Проведенный анализ свидетельствует о том, что применение искусственных предельнозаряженных аэрозольных облаков может быть использовано и в других областях, где требуется проверка на молниезащищенность заземленных объектов.
ЛИТЕРАТУРА
1. Электрофизические основы техники высоких напряжений: Учеб. для вузов / И.М. Бортник, И.П. Верещагин, Ю.Н. Вершинин и др. Под ред. И.П. Верещагина, В.П. Ларионова. - М.: Энергоатомиздат, 1993. - 703 с.
2. Авруцкий В.А., Кужекин И.П., Чернов Е.Н. Испытательные и электрофизические установки. Техника эксперимента. Учеб. пособие / Под ред. И.П. Кужекина. - М.: МЭИ, 1983. - 184 с.
3. Бородин И.Ф., Макальский Л.М., Пронин Б.В. Наноочистка воздуха после озонаторных установок // Сборник трудов РГАУ - МСХА имени К.А. Тимирязева. - М. 2009. -С. 127-129.
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.