Безопасное устройство молниезащиты
Полезная модели направлена на повышение эффективности защиты от воздействия молниевых разрядов. Технический результат заключается в создании условий, препятствующих возникновению нисходящих разрядов и искрообразования при воздействии токов и напряжений импульсов больших значений.
Указанная задача достигается тем, что устройство безопасной молниезащиты содержит молниеприемник, соединенный с заземлителем через токоотвод. Молниеприемник выполнен в виде оболочки, имеющей форму сферы купола или конуса, увенчанной стержнем, а нижняя часть ее соединена через токоотвод с центральным вертикальным электродом заземлителя. Верх заземлителя выполнен в виде купола, а низ погружен в металлические опилки. Центральный электрод соединен с другими вертикальными и горизонтальными электродами, имеющими V-образные острия. Внешние вертикальные электроды соединены с шинами, образующими контур защищаемой площади, вне которого расположены молниеотводы-ловушки. 1 н. п-лы, 4 илл.
Полезная модель относится к средствам защиты объектов различного назначения при прямом или близком воздействии молниевых разрядов, электромагнитных импульсов (ЭМИ), коротких замыканий и коммутаций энергооборудования, в частности к средствам молниезащиты промышленных или жилых зданий и сооружений, а также искроопасных объектов энергетики, нефтегазовых, химических, оборонных и других отраслей народного хозяйства.
Известны сосредоточенные заземлители, в которых при нарастании или спаде тока происходят искровые разряды в грунт при высоких напряжениях пробоя, сопровождаемые механическими и акустическими ударными процессами. (Бургсдорф В.В., Якобс А.И. Заземляющие устройства электроустановок. - М.: Энергоатомиздат, 1987 - 400с. стр.309).
Недостаток сосредоточенных заземлителей состоит в низкой эффективности и высокой искроопасности по отношению к воздействию импульсов тока и напряжений с высокой скоростью нарастания и большой длительности, что вызывает высокие потенциалы на внешних токоотводах. При этом создаются скользящие вдоль поверхности земли искровые разряды, инициирующие восходящие стримеры в местах ввода токоотвода в заземлитель в грозовых условиях и при воздействии ЭМИ, возникают электрические и механические резонансные явления. Сезонные условия, ударноакустические воздействия, коррозионные процессы на поверхности электродов повышают напряжения пробоя из-за появления неэлектропроводных слоев окислов, воздушных зазоров, снижающих площадь соприкосновения с грунтом, в результате чего необходимо создавать разветвленную сеть заземляющих устройств, чтобы обеспечить низкие значения сопротивлений заземления по нормам электробезопасности.
Известна конструкция устройства для молниезащиты (патент РФ 
2382464 от 23.01.2009) Молниеотвод содержит металлическую мачту и стержневой молниеприемник. При этом металлическая мачта выполнена в виде конической конструкции с радиусом сечения, уменьшающимся от ее основания к вершине. Металлическая мачта размещена внутри экранирующей оболочки, состоящей из набора тонких металлических проводников, установленных с равным шагом. Радиус окружности, по которой установлены проводники, нарастает от основания оболочки к ее вершине. Верхние концы проводников закреплены в верхней части металлической мачты посредством фланцевого соединения. Фланцевое соединение размещено внутри торообразного электростатического экрана. Стержневой молниеприемник жестко закреплен в центре металлической мачты, а металлическая мачта жестко закреплена на фундаменте. Нижняя часть металлической мачты установлена в емкость с водой. Заземлитель выполнен в виде многолучевой конструкции, сообщенной с емкостью с водой и изготовленной из труб с дренажными отверстиями, позволяющими производить капельный полив грунта.
Недостатком известной конструкции является использование металлических элементов, которые подвергаются коррозионным процессам на поверхности электродов, повышают напряжения пробоя из-за появления неэлектропроводных слоев окислов, воздушных зазоров, что снижает долговечность и уменьшает экономическую эффективность при эксплуатации. Кроме того, данная конструкция имеет ограниченное использование по территориальным признакам, например в условиях вечной мерзлоты, а также в южных районах при температуре грунта выше 30 град С вокруг труб прорастают споры грибов и корни растений.
Так же недостатком известной конструкции является эксплуатация стальных элементов заземлителя в условиях повышенной влажности, которые коррозируют. В результате на поверхности электродов появляются неэлектропроводные слои окислов, повышающие амплитуду искрового пробоя последующих разрядов. Увеличивающая ударная энергия искрового пробоя уплотняет грунт, что вызывает появление воздушного зазора между электродом и грунтом. Кроме того, капельный полив в трубах заземлителя имеет ограниченное использование по территории РФ:
- неприменимо в условиях вечной мерзлоты;
- неприменимо в регионах, где температура грунта выше 30°С, т.к в таких тропических условиях вокруг труб будут прорастать споры грибов и корни растений, которые нарушать контакт электродов с грунтом.
Известны устройства для молниезащиты, применяемые для защиты наземных объектов, содержащие стержневой молниеприемник, токоотвод и сосредоточенные заземлители, выполненные в соответствии с рекомендациями документа СО-153-34.21.122.2003 «Инструкция про устройству молниезащиты зданий, сооружений и промышленных коммуникаций». Издательство МЭИ, М., 2004.
Вызывая разряд на себя, молниеотводы любого типа, практически всегда создают непредсказуемые деградации на защищаемом объекте. Много случаев, когда разряд приходится в объект минуя защитный молниеотвод, например, в нефтегазовые резервуары, перекачивающие станции, высотные объекты зарезонанской высоты.
Задачей полезной модели является повышение эффективности защиты от воздействия молниевых разрядов.
Технический результат заключается в создании условий, препятствующих возникновению нисходящих разрядов и искрообразования при воздействии токов и напряжений импульсов больших значений. Плавные изгибы соединений электродов и шин действуют как компенсаторы искровых осцилляции, а также теплового и механического воздействия грунта. Неодинаковая длина горизонтальных лучей, отходящих от центрального вертикального электрода необходима для исключения резонансных явлений, вызванных электрическими ударными воздействиями больших токов молниевых разрядов, ЭМИ, механическими ударами при воздействиях на надземный объект и грунт землетрясений, близких взрывов, ударных волн.
Острия покрыты электроположительным веществом типа окиси бария, снижающим работу выхода электронной эмиссии тока с остриев с 8-10 эВ до 2-5 эВ. Одновременное зажигание разряда с остриев, надежное использование всей поверхности электродов устройства создают ионизированное пространство без ударных явлений.
Поставленная задача достигается тем, что устройство безопасной молниезащиты содержит молниеприемник, соединенный с заземлителем через токоотвод. Молниеприемник выполнен в виде оболочки, имеющей форму сферы купола или конуса, увенчанной стержнем, а нижняя часть ее соединена через токоотвод с центральным вертикальным электродом заземлителя. Верх заземлителя выполнен в виде купола, а низ погружен в металлические опилки. Центральный электрод соединен с другими вертикальными и горизонтальными электродами, имеющими V-образные острия. Внешние вертикальные электроды соединены с шинами, образующими контур защищаемой площади, вне которого расположены молниеотводы-ловушки.
Сущность технического решения поясняется чертежами.
На фиг.1 показан молниеприемник, на фиг.2 изображен общий вид устройства молниезащиты, выполненный для прожекторной мачты. На фиг.3 показан внешний вертикальный электрод заземлителя. На фиг.4 показан план размещения четырехлучевых подземных шин и расположение объектов на защищаемой площади. Сетчатые заземлители под объектами и вокруг них условно не показаны.
Безопасное устройство молниезащиты состоит:
1 - стержень, выполненный из меди, например, длиной 0,5-0,7 метра и диаметром 15 мм;
2 - молниеприемник - купол, состоящий из конуса, переходящего в контур поверхности фигуры тора, минимизирующий концентрацию электрического поля; 3 - переходник, соединяющий купол с токоотводом;
4 - токоотвод, выполненный в виде трубы, набирается из отдельных секций до необходимой высоты устройства; 5 - заземлитель;
6 - прожекторная площадка;
7 - центральный электрод заземлителя;
8 - V-образные острия из прутка 2,5-3 мм;
9 - отогнутые клинья;
10 - купол заземлителя, выполненный из медного или нержавеющей стали прутка 2,5-3 мм;
11 - полупроводящий (сыпучий) искроразрядный слой, может быть выполнен из некоррозируемых металлических опилок (50-60%), угля и отожженного речного песка 10%;
12 - горизонтальные электроды, соединяющие электрод 7 с внешними электродами по многолучевой схеме (от 2-х до 6-ти лучей), выполнены из трубы или плоской шины;
13 - насыпная подушка из токопроводящей (или обычной) глины;
14 - кабель питания прожекторов;
15 - распределительный щит питания с экранирующим кожухом;
16 - место монтажа внешнего вертикального электрода;
17 - внешний вертикальный электрод, выполнен в виде трубы;
18 - шины, соединяющие внешние вертикальные электроды 17 с внешней шиной
19 - контуры защищаемой площади
20 - защищаемые объекты;
21 - молниеотвод-ловушка должен находиться дальше от объекта 20 на расстоянии более 20-25 метров от шины 19.
Ео и Ев на фигуре 1 - это направление вектора напряженности электрического поля от поверхности земли к туче и противодействующего поля объемного заряда вокруг купола. Купол 2 молниеприемника, переходник 3, токоотвод 4, электроды 7 и 17 могут выполняться из медного листа толщиной 2 мм. Токоотвод 4 составляется из отдельных секций 4-6 метров диаметром 100 мм. Длина центрального электрода 7 заземлителя составляет 5-7 метров, внешних электродов 17-5-6 метров. Токоотвод 4 и центральный электрод 7 заземлителя стыкуются соосно.
Кабели 14 внешнего питания, управления и связи проложены в трубе и проходят через распределительный щит 15.
Безопасное устройство молниезащиты работает следующим образом.
При прохождении грозового фронта заряженная туча индуцирует на поверхности земли в слое 0,1-0,3 метра заряды противоположной полярности нижнего слоя облака. В результате чего в пространстве «земля-туча» напряженность электрического поля Ео повышается до 8-30 кВ/м.
Соответственно на вершине молниеприемника (на куполе 2) ожидаемый потенциал составит Uп=Ео hв, где hв - высота молниеприемника над поверхностью земли. Если принять Ео=20 кВ/м, а hв=30 метров, то тогда потенциал будет равен Uп =600 киловольт.
Под воздействием такого высокого потенциала заряды, индуцированные тучей, стягиваются с защищаемой площади контура 19 через шины 18 и горизонтальные электроды 12 к центральному электроду 7 заземлителя 5. Проходя через электроды заземлителя 5 большая часть зарядов диффузионно рассеивается через V-образные острия. При этом окружающий электроды грунт ионизируется, что еще более повышает скорость процесса нейтрализации стягиваемых зарядов.
Оставшаяся часть зарядов вызывает в токоотводе 4 по направлению к куполу 2 (или от него) ток. Высокая напряженность поля Ео, воздействующая на проводящую сферу купола 2 индуцирует распределение зарядов, показанное на фигуре 1. Под воздействием такого распределения зарядов внутри пространства купола 2 и в его окрестности по закону индукции образуется противодействующее поле напряженностью Ев. Это поле и образовавшиеся заряды над куполом препятствуют возможности эмиссии восходящего потока зарядов и создают отталкивающее (одноименное) поле для направляющегося сверху нисходящего лидера (стримера). Эквипотенциальная поверхность купола вызывает равномерное растекание зарядов по поверхности, не вызывая локальных мест повышения критических напряженностей электрического поля, превышающих работу выхода электронов с поверхности материала.
Купол 2, токоотвод 4 и центральный электрод 7 заземлителя 5 выполнены из медного листа. Их электрическое сопротивление в десять раз ниже, чем сопротивление стальных элементов опорной конструкции. Соответственно, выше фазовая скорость распространения волны тока, что является дополнительной защитой от воздействия импульсов тока с высокой крутизной нарастания (спада), в том числе и воздействий ЭМИ. Использование медных элементов устройства молниезащиты существенно снижает скорость коррозионных процессов, что повышает остаточный ресурс и уменьшает необходимость периодических процедур диагностики (обслуживания).
Предлагаемое безопасное устройство молниезащиты, выполнено на новых принципах, что повышает безопасность объектов и является надежным.
Конструкция устройства молниезащиты найдет массовое применение на взрывопожарных объектах и средах как в комплексном исполнении (фиг.2), так и при использовании купола и заземлителя в отдельности. Устройство безопасной молниезащиты обеспечивает ряд уникальных физических свойств:
- стягивание и рассеивание, индуцированных грозой зарядов с защищаемой площади, что снижает энергию восходящего потока зарядов;
- воздействие на сферу купола электрического поля высокой напряженности Ео вызывает противодействующее поле напряженностью Ев обратной полярности;
протекающие по токоотводу заряды взаимодействуют с противодействующем полем Ев, расширяют зону влияния этого поля Ев вокруг купола, создавая вокруг него объемный заряд, сцепленный с полем Ев;
- приближающийся нисходящий лидер (ветвь) вызывает реактивную индукцию (за счет движения) в объемном заряде противодействующего поля Ев такого же знака, увеличивая его объем и напряженность противодействующего поля;
- уже на расстоянии 300-400 метров от купола головка зарядов приближающегося нисходящего лидера (ветви) будет тормозить свое продвижение. Возникающая отталкивающая сила мгновенно изменит направление его движения (даже под прямым углом);
- двигаясь над защищаемой поверхностью, освобожденной от индуцированных зарядов, где нет восходящих потоков, лидер (ветвь) не может ударит в эту поверхность. Заряд лидера рассыпается при малой энергии, либо переносит удар за пределы защищаемой площади в молниеотвод-ловушку, где созданы благоприятные условия для встречи отвергнутого лидера.
- эквипотенциальные поверхности купола молниеотвода и купола заземлителя противодействуют созданию локальных мест высокой напряженности, которые вызывают искрообразование;
- в случае случайного воздействия прямого молниевого разряда в стержень купола молниеотвода или воздействия ЭМИ, ток будет растекаться по многим направлениям образующей поверхности купола, не вызывая в локальных местах напряженностей, стимулирующих искрообразование;
- кривизна верхней поверхности молниеприемника, по которой растекается ток большой амплитуды и высокой крутизны фронта импульса описывается выражением полукубической параболы у=ах3/2, где а=0,4-0,5, которая является оптимальной (безударной) кривой при повороте тока высокой крутизны. Когда на отдельном проводнике или плоскости требуется обеспечить минимальное падение напряжения, соединение шин под прямым углом недопустимо. Растекание тока разряда должно происходить по конусной поверхности;
- медные поверхности купола, секций труб токоотвода и заземлителя предохраняют от коррозии, нанося лаковое покрытие на эти поверхности. Такое покрытие повышает работу выхода электронов из поверхности материала, что дополнительно снижает возможность появления искровых разрядов при критической напряженности электрического поля.
Использование устройства безопасной молниезащиты позволяет снизить трудоемкость обслуживания, применять для объектов дорезонансных и зарезонансных высот до 500 метров. Размещая купольные конструкции в резонансных зонах высотного объекта (TV башни, радиовышки, здания), обеспечивают защиту боковой поверхности объекта от воздействия прямых ударов.
В условиях города поражение, электронных средств от воздействий прямых молниевых разрядов происходит более чем в 10 раз чаще, чем отказы в системах электроснабжения. Молниезащита «интеллектуальных зданий», выполненная с применением предлагаемого способа не менее чем на порядок снизит количество поражений электронных средств от воздействий прямых ударов.
Количество лучей в конструкции заземлителя устанавливают с учетом высоты объекта, величины защищаемой площади и проводимости грунта.
При высоте молниеотвода до 30 метров применяют 2-х лучевую схему. При высоте 100-120 метров применяют 6-ти лучевую схему заземлителя.
Длина каждого луча заземлителя составляет 10-14 метров. В грунте с большей проводимостью используют меньшую длину луча. В грунте с меньшей проводимостью используют большую длину луча.
За пределами защищаемой площади должен находиться излучающий молниеотвод-ловушка, куда и будет разряжать свою энергию отвергнутый нисходящий лидер. В качестве таких ловушек-излучателей могут служить отдельные деревья, прожекторные вышки, специальные молниеотводы, удары в которые не вызовут отказы и деградации технических средств.
Безопасное устройство молниезащиты найдет массовое применение на объектах высотой Н=50-40 метров (дорезонансной высоты) при 5-ти, 6-ти лучевых схемах, 1-1=25-40 - при 4-х; Н=15-25 - при 3-х -4-х; Н=10-15 - при 2-х-3-х лучевых схемах. Особенно эффективно работает устройство для одиночных мачт, вышек (например, пограничных, радиорелейных, молниезащитных) дымовых труб, ветростанций, антенн, нефтегазовых, энергетических, оборонных объектов и т. п.), для необслуживаемых объектов. Возможно использование устройства для молниезащиты при доработке заземлителей, действующих в составе искроопасных и взрывопожарных средств, для высотных, зарезонансных, более 100 метров, объектов, чтобы уменьшить возможность восходящих разрядов за счет снижения поступления зарядов, стягиваемых с защищаемой поверхности в молниеотвод объекта.
Низкое искровое сопротивление заземления способствует: снижению (0,1-10 мкс) длительности разряда накопленного в молниеприемнике объемного заряда, накопленной индуктивной и механической энергии в токоотводе и металлоконструкции объекта после первого импульса; уменьшению амплитуды и длительности импульса напряжения обратного знака в системе «молниеприемник-токоотвод-заземление» (МТЗ), возникающего после окончания тока 1-го импульса молниевого разряда; исключения прямых ударов молнии 2-го и последующих импульсов в бок и подножье объекта (на примерах TV башен); ослабление резонансных явлений в элементах МТЗ, при воздействии токов импульса (нисходящего молниевого разряда, ЭМИ) высокой крутизны.
При оптимальном выборе материалов, их покрытий для длительной эксплуатации в коррозионной среде грунта, трактуемой как слабый электролит, без применения химически активных веществ, обеспечит высокую коррозионную совместимость элементов устройства. Оцениваемая долговечность предлагаемой конструкции устройства для молниезащиты составляет 25-50 лет в зависимости от агрессивности окружающей среды.
Экономическая эффективность от применения безопасного устройства молниезащиты обеспечивается за счет:
- исключения наземных и подземных искрений, превышающих энергию воспламенения углеводородных фракций;
- исключения возникновения восходящих стримеров при грозе и воздействии ЭМИ;
- снижения в 10-100 раз заноса потенциала импульса по цепям вторичных источников питания, управления и связи при воздействиях молний, коротких замыканий, ЭМИ и коммутаций;
- сокращения количества нормативных проверок сопротивления заземления;
- повышения коррозийной и экологической долговечности;
- снижения затрат на ремонт и обслуживание средств.
Безопасное устройство молниезащиты, содержащее молниеприемник, соединенный с заземлителем через токоотвод, отличающееся тем, что молниеприемник выполнен в виде оболочки, имеющей форму сферы купола или конуса, увенчанной стержнем, а нижняя часть ее соединена через токоотвод с центральным вертикальным электродом заземлителя, верх которого выполнен в виде купола, а низ погружен в металлические опилки, центральный электрод соединен с другими вертикальными и горизонтальными электродами, имеющими V-образные острия, внешние вертикальные электроды соединены с шинами, образующими контур защищаемой площади, вне которого расположены молниеотводы-ловушки.
