Стадии формирования встречного разряда

Для более детального понимания самой сути молниезащиты, специалисту необходимо отчётливо представлять протекание самого процесса, и особенно это касается развития встречного лидера. Благодаря пониманию его сути, можно создать максимально эффективное, но и вместе с тем и простое решение для организации молниезащиты. В представленной ниже информации вкратце описываются газоразрядные явления во встречном разряде, а также разъяснение, что представляет собой молниезащита с системой ранней стримерной эмиссии.

Молниезащита — одна из тех технических дисциплин, где специалист не может обойтись без отчётливых представлений о физике процесса. В наибольшей степени это касается механизма развития встречного лидера, с которым закономерно связывают поиск простых технических решений по повышению эффективности защиты от прямых ударов молнии. Ниже даётся краткий обзор газоразрядных явлений во встречном разряде.

Бесстримерная корона

Это явление возникает при достижении критического значения (E_cor) напряжённости в верхней части радиуса (r₀ E (r₀)) молниеотвода или любой другой заземлённой конструкции, что ведёт к возникновению самостоятельного разряда в атмосфере, состоящей из грозового облака с неуклонно нарастающим внутри него электрическим полем (E₀).

Наиболее актуальной и часто используемой формулой, используемой для оценки величины значения E_cor, является эмпирическая формула Пика. При условии номинального уровня атмосферного давления и наличия стержневого электрода, эта формула представляется в следующем виде:

и верна, при заданной в сантиметрах единице измерения радиуса электрода. Это применимо при электрическом поле, превышающим значение в 30 кВ/см (3000 кВ/м), что существенно больше, чем величина электрического поля, находящегося у поверхности во время грозы (E₀). Средний показатель обычно составляет не больше 30 кВ/м, а максимальные показатели обычно выше 60 кВ/м.

Согласно доказанным утверждениям, бесстримерная корона возникает по причине локального усиления поля (у) в верхней части проводящей наземной конструкции. Наиболее верные расчёты при электроде стержневого типа предлагает следующая формула:

При высоте h, равной 20 метрам и радиусе r₀, составляющим 1 сантиметр, напряжение в поле грозового облака, расположенного непосредственно у верхней части стержневого молниеотвода, будет увеличено в три раза. В таком случае, коронный разряд в состоянии возбудиться при значении электрического поля в воздухе, в среднем равного 1 кВ/м.

Значение поля существенно понижается по мере его отдаления от вершины заземлённой конструкции. Следовательно, площадь ионизации имеет достаточно малые размеры, составляющие несколько миллиметров. Даже при усилении значения поля E₀, площадь этой зоны увеличивается незначительно. Причём этот процесс абсолютно не совпадает с процессом, происходящим при формировании плазменного канала встречного лидера, что было представлено Голдом в его гипотезе.

Объяснение этому достаточно лёгкое. Продвижение плазменного канала наверх относительно молниеотвода происходит только за счёт увеличения электрического поля в верхней части, и для обеспечения этого необходим очень высокий уровень электрической проводимости плазмы, обеспечиваемый большой плотность электронов. При этом канал встречного лидера растёт на протяжении нескольких сотен микросекунд, в то время как электрон в холодном воздухе жизнеспособен на протяжении времени, не превышающем 1 микросекунды.

Cтримерная корона

Отличительной чертой этого электрического разряда является наличие довольно длинных и тонких ответвлений, возникающих вслед за волной ионизации атмосферы. Ветви берут начало от общего короткого стебля, через который протекает напряжение, являющееся суммой всех напряжений, находящихся в ветвях разряда. Как показали измерения, при дефиците напряжения, необходимого для повышения температуры ветвей, они не нагреваются и снижают проводимость за время, равное 10^-7с, но общая сила тока, проходящего через главный стебель, часто достигает значения от одного до нескольких десятков ампер. Этого значения обычно хватает для повышения температуры стебля до нужного значения.

Рисунок 1. Изображение короны стримера ^*

Для своего образования стримерная корона требует наличия определённой силы тока, достаточного для обеспечения развития ионизирующей волны по разрядному промежутку. Опираясь на аналитические данные, можно выделить следующую формулу, позволяющую рассчитать значение предельного тока для стержня с радиусом верхней части r₀

μ_i в этом случае означает мобильность преобладающей разновидности коронных ионов. Для образования стримерной короны требуется сила тока, равная 10-2 А, при условии стандартного значения радиуса верхней части стержня, что на практике не достижимо для короны, находящейся в электрическом поле грозового облака.

Рисунок 2. График изменения молниевого тока от вершины вертикального электрода высотой 50 м^*

На рисунке 2 представлен показатель изменений со временем значения тока короны, образованной возле стержня порядка 50 метров в высоту. Наблюдается максимально быстрое увеличение поля в грозовом облаке со значением напряжения непосредственно на землёй, равным E₀ = 50 кВ/м за 10 с. Однако, даже при прямой зависимости тока короны от скорости увеличения электрического поля с предельно допустимыми для измерения значениями амплитуды, пиковое значение тока в любом случае оказывается меньше минимум на порядок.

Довольно интересное решение данной проблемы предлагает вариант внешнего воздействия на данный процесс, благодаря которому возможно перевести корону в стримерную форму. Причём решение этой задачи достаточно простое — разгадка в том, что скачкообразное увеличение потенциала верхней части электрода ёмкостью C_tip е значение, равное ΔU, приведёт к резкому скачку коронного тока, согласно следующей формулы:

Уравнение подробно разъясняет, что при подаче на активный молниеприёмник напряжения с крутизной фронта, будет достигнута величина пикового значения тока i_cr.

Процесс роста встречного лидера

Большинство найдут странным вышеизложенную информацию, учитывая тот факт, что для автора малоприемлемо такое понятие, как активная молниезащита. Однако, основной принцип, на основании которого работают ese-молниеприёмники, как раз таки и базируется на основании малого по своей величине управляющего воздействия. Поэтому не стоит делать чересчур поспешных выводов и торопиться с принятием окончательного решения — для начала было бы нелишним разобраться с дальнейшим развитием встречного лидера после его образования.

Не стоит углубляться непосредственно в сам момент образования лидера, для краткости представив, что он появился в стебле стримерной ветви, и смоделировав при помощи компьютера процесс его появления. Естественно, в этом поможет его физическая модель — её описание можно узнать из книги «Искровой разряд» за 1997 год, авторы которой Э. М. Базелян и Ю. П. Райзер, и материала «Физика молнии и молниезащиты», выпущенного в 2001 году. Всю необходимую информацию можно легко получить из вышеперечисленной литературы, и приводить в данной статье выдержки из неё не имеет смысла, достаточно будет использовать только базовые показатели жизнеспособности процесса.

При напряжённости электрического поля (E_L) в канале лидера, не превышающего значение напряжённости поля в грозовом облаке (E₀), продвижение лидера будет проходить без торможения. То есть, для точного расчёта модели, необходимо получить значение тока в каждый момент эволюции встречного лидера, погонного сопротивления в плазменном канале, и при помощи их умножения выявить напряжённость продольного поля (E_L). После чего получившееся значение необходимо сравнить со значением поля грозового облака, при определении которого следует учесть показатель воздействия объёмного заряда короны, выпущенного в окружающую среду. Для более детального разбора ситуации, при помощи компьютера было проведено некоторое количество весьма трудоёмких расчетов, с различными показателями высоты коронирующей конструкции, характеристики грозового поля, длительность короны, и основной параметр — величина импульса управляющего напряжения. В графике ниже представлены усреднённые результаты.

Рисунок 3. Величина канала встречного лидера в зависимости от амплитуды управляющего напряжения^*

Опираясь на выявленные взаимосвязи, указанные на рисунке 3, получается, что максимальная величина канала встречного лидера зависит от амплитуды управляющего напряжения (∆U), его возбуждающего. Данный расчёт выполнен при условии, что ese-молниеотвод составляет порядка 50 метров в высоту с установленной полусферической головкой, радиусом 2 см (выяснено, что данный показатель практически не играет никакой роли). Было выявлено линейное нарастание электрического поля в грозовой атмосфере до значения E₀ = 50 кВ/м за 10 с, что приближено к пороговому значению.

В этом случае, управляющий импульс, продолжительностью 500 мкс был подан при достижении значения поля E₀ своего максимума. Замечено, что при подаваемом напряжении величиной до 300 кВ, встречный лидер не способен увеличиться на расстояние более пяти метров. Вследствие чего возникают достаточно немалые сомнения в практичности использования этого метода.

Тем не менее, при напряжении порядка 400-500 кВ, наблюдается способность встречного лидера значительно продвинуться выше верхнего уровня объёмного заряда короны и двигать без торможения.

^* — иллюстрации взяты из статьи проф. Э. М. Базеляна «Активны ли активные молниеотводы?»

Смотрите также: