Современные системы молниезащиты промышленных объектов - Статьи :: Международный Электротехнический Журнал Электрик
Рубрика

Техника и технологии

4641
Современные системы молниезащиты промышленных объектов

Молния представляет собой гигантский искровой разряд электрического тока высокой интенсивности, возникающий высоко над землей – в облаках или между облаком и землей, как это показано на фото, помещенном в начале статьи. Этот разряд, длящийся тысячные доли секунды, несет в себе громадную разрушающую силу, что вызывает необходимость усиленной защиты промышленных объектов, зданий и сооружений от прямого попадания в них молнии. В настоящее время природа обычных молний и их разрушительная сила достаточно полно исследованы с помощью запускаемых с земли небольших ракет, расстреливающих грозовые тучи. Так, в результате запусков таких ракет в грозовые тучи для молнии средней величины были определены ее основные параметры, которые приведены в табл.1.

Обнаружение молнии с помощью разнообразных стационарных и переносных приборов не представляет особого труда. Краткое описание одного из таких приборов – портативного датчика грозы Strike Alert,впервые в мире разработанного американской компанией Outdoors Technologies, позволяет обнаружить молнию на расстоянии до 65 км. Обычное расположение этого прибора в ладони человека, пытающегося обнаружить приближающуюся грозу, показано на рис.1,а. В случае отсутствия грозы в радиусе до 65 км у прибора Strike Alert горит, не мигая, зеленый светодиод, расположенный на его торце (рис.1,б). При случае обнаружения грозы датчик прибора сразу же подает громкий звуковой сигнал, и одновременно с этим сигналом на нем также загораются светодиоды разного цвета, идентифицирующие четыре интервала расстояний до приближающейся грозы: 24 – 40 миль (32 – 64 км); 12–24 мили (19 – 39 км); 6–12 миль (9 – 19 км); меньше 9 км. В приборе Strike Alert отсутствует жидкокристаллический дисплей, и расстояние в милях показывает «светофор», состоящий из пяти светодиодов: 2 красных, 2 желтых и одного зеленого.

Направление прихода грозы определяется прибором Strike Alert в течение всего лишь нескольких минут исходя из последовательности «возгорания» диодов: цикл возгорания от зеленого к красному означает приближение грозы, а от красного к зеленому – наоборот, ее удаление. Отличительной особенностью прибора Strike Alert является то, что он предназначен для использования исключительно на открытом воздухе, поскольку в помещении он начинает фиксировать статическое электричество, не имеющее к молниям ни малейшего отношения.

 

Пассивная система молниезащиты от ударов молний

Такая система молниезащиты представляет собой комплекс технических решений и специальных приспособлений, обеспечивающих сохранность защищаемых объектов, а также безопасность находящихся внутри этих объектов людей и неповреждаемость электрических и электронных частей оборудования от прямых ударов молнии. Основу пассивной молниезащиты, являвшейся вплоть до 1990-х годов основной защитой промышленных объектов, зданий и сооружений от прямого попадания в них молнии, составляли внешняя и внутренняя системы молниезащиты таких объектов.

Внешняя система пассивной молниезащиты
Предназначается для обеспечения защиты объектов различного назначения от повреждения и пожара с помощью молниеотвода, изготовленного из нержавеющей либо оцинкованной стали, алюминия или меди, который должен перехватывать молнию и отводить ее в землю по токоотводным спускам. При этом молниезащитное устройство в момент прямого удара молнии в защищаемый объект должно быть в состоянии принимать на себя ток молнии и отводить его по токоотводам всистему заземления с целью безопасного рассеяния энергии разряда. При этом ток молнии должен протекать по токоотводам без ущерба для защищаемого объекта и быть безопасным для людей, находящихся как внутри, так и снаружи защищаемого объекта.

Внутренняя система пассивной молниезащиты

Выполняется в виде совокупности устройств защиты от импульсных перенапряжений (УЗИП), должна быть в состоянии ограничить импульсные перенапряжения, возникающие вследствие прямых и непрямых попаданий в объект молнии до уровня, безопасного для электрооборудования, находящегося внутри таких объектов.

Таким образом, принцип действия классической молниезащиты состоит в следующем: молниеприемники принимают разряды молнии из грозовой тучи, молниеотводы их отводят к системе заземления, которая, в свою очередь, обеспечивает равномерное растекание тока в грунте. Иными словами, система молниезащиты с пассивным молниеприемником, ожидающим удар в него молнии, срабатывает только тогда, когда молния непосредственно ударяет в защищаемый объект. Отметим, что поскольку в системе пассивной молниезащиты применяются недорогие молниеприемник – молниеотвод – заземлитель, а также система уравнивания потенциалов и не используются дорогостоящие активные элементы, то ее, как правило, широко применяют для обеспечения безопасности частных домов, жилых зданий и других построек.

 

Современная активная система молниезащиты

Современная активная система молниезащиты от ударов молнийнамного более совершенна по сравнению с пассивной системой защиты. Принципиальное отличие такой системы молниезащиты от пассивной состоит в том, что путем использования активного молниеприемника вместо пассивного удается генерировать ионизационное поле существенно большей напряженности по сравнению с пассивной защитой и, тем самым, создавать потоковый встречный электроразряд к молнии (так называемый, «встречный лидер»), обеспечивающий «притяжение» молнии на активный молниеприемник, который пытается «перехватить» на себя разряд молнии, инициируя встречные лидеры.

Интенсивные исследования по принудительному инициированию молнии с помощью активных молниеприемников проводятся с 1980-х годов. Особых успехов в проведении таких исследований добилась ведущая на рынке молниезащиты и заземлений французская компания Indelec, создавшая в 1996 г. серию современных активных молниеприемников Indelec Prevectron 2, зона действия которых в 10 раз превышает зону действия традиционных одиночных пассивных молниеприемников.

Комплект современной активной молниезащиты состоит из:

• молниеуловителя, предназначенного (так же, как и традиционный молниеприемник) принимать и выдерживать удар самой мощной молнии;

• ионного генератора, который вместе с индукционной катушкой и предохранителем обладают высоким сопротивлением;

• ускорителя заряженных частиц и атмосферных электродов, которые проектируются таким образом, что могут заряжаться разными электрическими потенциалами, благодаря чему предназначение молниеотвода – заставить электроды работать и как ресурс, вырабатывающий дополнительную ионизацию, и как ускоритель частиц;

• вывода к заземляющему устройству, выполняющего функцию заземления молниеуловителя;

• система заземления, ничем не отличающаяся от системы заземления, применяемой в пассивной молниезащите.

Работа активных молниеприемников типа PREVECTRON 2 подразделяется на два этапа:

1. Заряд источника ионизирующего напряжения через нижние электроды от окружающего электрического поля, составляющего несколько тысяч кВ/м в грозовой обстановке.

2. Упреждающее инициирование восходящего лидера между верхними электродами и центральным наконечником, осуществляемое с помощью ионизации искровым разрядом.

Общий вид активного молниеприемника Indelec Prevectron 2 показан на рис.2,а,а его применение для защиты объекта – нарис.2,б ирис.2,в. Отметим, что активные молниеприемники в настоящее время широко применяются в Европе, а молниеприемник типа PREVECTRON 2 защищает от молний Собор Парижской Богоматери (Франция), Акрополь (Греция), Тауэрский мост (Англия) и ряд других объектов по всему миру.

 

Современные способы активной молниезащиты

В настоящее время на основе результатов исследований электрической природы обычных (линейных) молний, которые проводятся с использованием небольших ракет, расстреливающих грозовые тучи, а также результатов интенсивных исследований активных устройств, генерирующих ионизационное поле большой напряженности, разработан ряд способов активной молниезащиты промышленных объектов, краткий обзор некоторых из них приведен ниже.

Триггерный способ молниезащиты

Суть этого способа молниезащиты состоит в запуске в грозовую тучу ракеты, несущей за собой заземленный провод (рис.3), позволяющий инициировать грозовой разряд на безопасном расстоянии от защищаемого объекта и, тем самым, существенно расширяющий зону защиты от ударов молнии. Этот способ молниезащиты в США применяют для защиты космодрома на мысе Канаверал перед запуском «челноков». Кроме того, ученые нескольких стран (преимущественно китайские ученые) с помощью этого способа защиты обеспечивают «поставку» молний в определенное место с целью проведения детальных исследований.

Лазерный способ защиты

Суть этого способа защиты состоит в том, что вместо запуска ракеты с заземляющим проводом в грозовую тучу направляют луч специального лазера, корпус которого заземлен. При этом вследствие ионизации воздуха возникает искровой разряд «облако – лазер». Такая система молниезащиты применяется в Форт Ноксе, где содержится золотой запас США.

Способ молниезащиты с помощью применения жидкого солевого раствора

Суть этого способа молниезащиты состоит в том, что для отвода заряда молнии в сторону от защищаемого объекта (например, стадиона) по грозовой туче, нависшей над этим объектом, выстреливают жидким солевым раствором, в котором содержится соль, предназначенная для увеличения электропроводности раствора, а также жидкий полимер, препятствующий распаду струи на отдельные капли. Диаметр струи солевого раствора составляет около одного сантиметра, а ее максимальная высота – 300 м. Когда жидкий громоотвод будет доработан, им смогут оснастить спортивные и детские площадки, где фонтан будет включаться автоматически, когда напряженность электрического поля будет достаточно высокой, а вероятность удара молнии – максимальной. При этом по струе жидкости из грозового облака будет стекать заряд, делая молнию безопасной для окружающих. Отметим, что такой способ молниезащиты неэкологичен, так как приводит к интенсивному загрязнению почвы солью.

Способ молниезащиты с помощью нейтрализации зарядов

Суть этого способа молниезащиты состоит в том, что вокруг защищаемого объекта устанавливают мачты с системой многих заостренных электродов, присоединенных к заземлителю. В случае приближения грозового облака к защищаемому объекту из-за интенсивного стока из системы электродов зарядов противоположной полярности (так называемого, электрического ветра) над этим объектом как будто натягивается своеобразный электростатический экран, предотвращающий появление молний.

Вышеприведенные нетрадиционные способы молниезащиты объектов различного назначения от ударов молнии составляют лишь малую часть разрабатываемых в настоящее время способов активной молниезащиты. Все они наряду с другими предлагаемыми способами молниезащиты подробно обсуждаются на проводимых раз в два года Международных конференциях по молниезащите, к сожалению, большинство из этих способов молниезащиты все еще находятся на начальной стадии разработки и далеки от широкого практического применения.

 

Перспективы использования мощности молний

Несмотря на значительные достижения в разработке весьма эффективных способов защиты от ударов молнии объектов различного назначения, все же главная задача человечества состоит в освоении использования мощности молний. Дело в том, что молнии являются огромным источником электроэнергии: один лишь разряд молнии производит миллиарды киловатт электричества, а во всем мире каждую секунду происходит 100 ударов молний. Если научиться аккумулировать и использовать эту электроэнергию, то у человечества будут отсутствовать проблемы с энергообеспечением.

К настоящему времени наибольших успехов в направлении использования мощности молний достигли китайские ученые, успешно разрабатывающие технологию использования энергии молнии в научных и промышленных целях. Так, на основе проведенных китайскими учеными исследований разработаны рекомендации и начинают использоваться оснащенные специальными громоотводами ракеты «YL-1», которые будут запускаться в центр грозового облака с целью захвата молнии в воздухе и ее перенаправления в коллекторы на земле для исследований и использования. Ракеты должны стартовать за несколько минут до удара молнии, и, согласно проведенным проверкам, точность их запусков уже в настоящее время составляет 70%.

Энергию молнии, а также производимое ей электромагнитное излучение планируется использовать для генной модификации сельскохозяйственных пород и производства полупроводников. Кроме того, новая технология позволит значительно снизить экономический ущерб от гроз, поскольку разряды молний будут уходить в безопасные места.

Понравилась статья? Расскажите друзьям!
ПОХОЖИЕ СТАТЬИ
comments powered by Disqus