Экспериментальные исследования молниезащиты различных объектов на моделях: общий подход и методические основы лабораторных исследований
Одним из основных вопросов при экспериментальных исследованиях молниезащиты различных объектов является выбор формы воздействующего напряжения. В ранних работах, посвященных изучению защитных свойств различных молниеотводов, для инициирования искрового разряда в воздушных промежутках использовались стандартизованные международной электротехнической комиссией (МЭК) импульсы грозовых перенапряжений 1,5/40 мкс (длина фронта импульса 1,5 мкс, длина импульса - промежуток времени от начала импульса до момента, когда напряжение достигает половины максимального значения, - 40 мкс). В настоящее время форма стандартного импульса несколько изменена (1,2/50 мкс), что не меняет сути дела. Развитие грозового разряда в гигантском воздушном промежутке между ЗЦО и землей происходит при минимально возможном напряжении на этом промежутке при непрерывном нарастании напряжения вследствие продолжающегося разделения зарядов в восходящем потоке воздуха, т.е. на фронте «импульса напряжения», приложенного к этому промежутку. О длительности этого «фронта» можно судить по интервалу времени между последующими разрядами молнии через один и тот же канал молнии (см. рис. 1.17), составляющему в среднем десятки тысяч микросекунд. Такой же порядок имеют длительности фронтов импульсов напряжения, соответствующие минимальным разрядным напряжениям. Так, по данным исследований электрической прочности воздушных промежутков длиной до 26 м, при импульсах напряжения с длиной фронта до 3000 мкс [29] зависимость длины фронта импульсов напряжения, соответствующая минимуму разрядных напряжений, от длины воздушных промежутков длиной Н > 4 м может быть оценена по формуле
(2.60) согласно которой при длине воздушного промежутка Н=1000 м критическая длина фронта импульса напряжения составляет 0,075 с.
Время продвижения лидера в гигантском промежутке между ЗЦО и землей меньше более чем на порядок. Так, например, при высоте ЗЦО над землей 3 км время продвижения лидера молнии к земле Тл=3000/(1х10)=3000 мкс. Поэтому лидер молнии успевает развиться полностью вблизи максимального напряжения между ЗЦО и землей за время его нарастания.
Необходимо отметить существенное различие механизма развития разряда в длинных воздушных промежутках при стандартных грозовых импульсах напряжения и при импульсах напряжения, соответствующих минимуму разрядных напряжений. При стандартных грозовых импульсах напряжения в длинных воздушных промежутках искровой разряд развивается в стримерной форме при напряженности электрического поля 500 кВ/м и выше, тогда как при импульсах с длиной фронта на два-три порядка большей (100... 1000 мкс и более) разряд в воздушных промежутках длиной более 3...4 м развивается в лидерной форме при напряженности электрического поля 100...200 кВ/м [12, 29-33]. Причем при стримерном механизме разряд всегда развивается по кратчайшему пути, а при лидерном механизме искровой разряд развивается по зигзагообразному пути, что определяет значительно большую вероятность подхода искрового канала не по кратчайшему пути, а сбоку, минуя молниеотвод.
Рис. 2.28. Фоторазвертка развития искрового разряда в воздушном промежутке длиной 15 м между вертикальным стержнем и плоскостью в течение всего времени формирования искрового разряда (а) и в фазе непрерывного развития лидера (б):
1 - канал лидера, 2 - стримеры с конца лидера в его вспышечной фазе; 3 - то же в непрерывной фазе развития лидера
Штриховой линией на верху рисунков показано положение конца стержня (ось времени), штриховой линией внизу показан уровень расположения плоскости; - длина стримерной зоны в момент достижения ею плоскости [30]
Поэтому при исследованиях молниезащиты тех или иных объектов необходимо обеспечивать развитие искрового разряда в лидерной форме при возможно большей длине воздушных промежутков между электродом, имитирующим развивающийся канал лидера, и землей и при воздействии на воздушные промежутки импульсов напряжения, при которых искровой разряд формируется при наименьшем напряжении. При этом условия развития искрового разряда в лабораторном воздушном промежутке будут наиболее близкими к условиям развития разряда молнии.
Необходимо обсудить еще одно очень важное обстоятельство. Дело в том, что большинство разрядов молнии на землю имеет отрицательную полярность (см. п. 1.1), тогда как пробой воздушных промежутков достаточной для моделирования молнии длины (10... 15 м.) невозможен из-за отсутствия соответствующего источника импульсного напряжения, поскольку разрядные напряжения воздушных промежутков при отрицательной полярности напряжения значительно выше, чем при положительной полярности. Поэтому природный разряд молнии отрицательной полярности приходится моделировать лабораторным разрядом положительной полярности (рис. 2.28).
В связи с изложенным большое значение имеет выбор размеров лабораторных моделей молниеотводов и защищаемых объектов. Наиболее общим критерием соответствия условий развития искрового разряда в лабораторной модели и в реальных условиях молниезащиты может служить равенство (хотя бы приблизительное) отношения длины стримерной зоны к высоте модели объекта при приближении лидера к модели защищаемого объекта отношению длины стримерной зоны лидера молнии к высоте защищаемого объекта. Например, при длине стримерной зоны лидера у поверхности земли 33 м и высоте защищаемого объекта 11 м при длине лабораторного промежутка между окончанием стержня, имитирующего развивающийся канал лидера, 10 м длина его стримерной зоны у поверхности земли составляет около 3,4 м [30, 31], и, следовательно, высота лабораторной модели защищаемого объекта должна быть не больше 1,1 м.
Эффективность оценки молниезащиты наземных объектов также нуждается в обосновании. Дело в том, что вероятность поражения наземных объектов даже при развитии разряда молнии непосредственно над объектом не равна 100%. Точно так же при расположении объекта непосредственно под стержнем, имитирующим развивающийся лидер молнии, поражение лабораторной модели объекта (при соблюдении сформулированных выше условий моделирования) вероятность поражения объекта на плоскости меньше 100% (приблизительно 50% [32]). При наличии молниеотвода (молниеотводов) часть разрядов попадает в молниеотводы, но при этом по-прежнему некоторая часть разрядов попадает на плоскость, имитирующую землю. В связи с этим предлагается использовать не вероятность Р поражения молнией объекта, защищенного молниеотводами, а ее отношение к вероятности Р0 поражения незащищенного молниеотводами объекта, или коэффициент поражаемости объекта [34]:
Кп=Р/Р0. (2.61)
