Проблема активных молниеотводов

Этот вопрос обсуждается уже не один десяток лет. Вполне очевидно, что для усиления защитного действия молниеотвода надо либо повысить электрическую прочность воздуха по пути молнии к объекту, либо снизить ее по пути к молниеотводу. В принципе и то, и другое физически возможно. Вопрос лишь в затратах на подобную операцию и в эффективности используемых технических решений. Еще в начале прошлого века в лаборатории Марии Кюри пытались ослабить электрическую прочность длинных воздушных промежутков, используя в качестве источника ионизирующего излучения практически весь имеющийся там запас радия. Заметного эффекта не получилось. Однако, это не помешало европейским фирмам выбросить в продажу радиоактивный молниеотвод, который годами рекламировался как чудо техники. Лишь в XXI веке в ГОСТ Р 59789-2021 российский Госстандарт сподобился наконец законодательно признать его абсолютную бесполезность.

А как быть с другими активными молниеотводами? Число их типов нарастает с каждым годом. Большинство предлагаемых конструкций принципиально все-таки не противоречат законам электродинамики. Проблема их реализации связана только с достоверной оценкой величины управляющего воздействия. Таков, например, ESE-молниеотвод, где использован эффект ускорения развития встречного разряда от молниеотвода с помощью высокого напряжения, сформированного малогабаритным источником. 

Ситуация несопоставимо сложнее, когда изобретатель игнорирует физические закономерности, а потому его фантазия ничем не ограничена. Как характерный пример можно привести так называемый CTS-молниеотвод (или, что то же самое, CMCE-молниеотвод). Это заземленный стержневой электрод, вершина которого представляет собой сферической конденсатор с заземленной нижней пластиной и открытой верхней для внешнего электрического поля атмосферы. Принцип его работы описан изобретателями предельно кратко.  “Каждый конденсатор имеет один из своих электродов, подключенный к земле, который заряжен с той же полярностью, что и земля (???). Свободный (верхний) электрод индуцирует атмосферные заряды противоположной полярности (???), достигая внутреннего баланса между своими электродами (???), что создает разность потенциалов. В результате на землю поступает поток зарядов, которые поглощаются из атмосферы (???), предотвращая образование молний в радиусе их действия”. Текст вполне пригоден для проверки знаний студента по курсу общей физики, поскольку, при всей своей краткости, он насыщен хорошо видимыми несуразностями. Достаточно сказать, что картина внешнего поля в окрестности вершины сооружения мало изменится, если конденсатор заменить рядовой металлической сферой того же диаметра. Обсуждать подобные изобретения бессмысленно.

Стоит повторить, что принципиальная возможность управления разрядом молнии сомнений не вызывает. В этом убеждает хотя бы многолетний опыт искусственного воспроизводства так называемых триггерных молний, что в грозовой обстановке стартуют от вершины малогабаритной ракеты, поднимающей на высоту около 200 м заземленную проволоку. Удачным в целом оказывается и применение лазеров. Нагревая и ионизируя воздух в канале, рождаемом своим излучением, лазеры способны провоцировать формирование четко ориентированной молнии, направляя ее к молниеотводу. Приходится лишь сожалеть о стоимости лазерного инициирования.  Специалистам по молниезащите лазерный молниеотвод может показаться ничуть не экзотичней золотого унитаза.

Сам по себе принцип воздействия электрического поля на встречный лидер не вызывает сомнений. Он легко поддается экспериментальной проверке в лабораторных условиях. Проблема не в принципе, а в достоверной оценке величины и времени эффективного воздействия управляющего напряжения. Здесь нельзя ошибиться. Стоит на время забыть о способе производства управляющего воздействия, сосредоточив внимание на достоверной оценке “строго в граммах” величины и времени требуемого напряжения.

Фактически хорошо проводящий канал встречного лидера как бы увеличивает высоту наземного сооружения. Уже по одной этой причине воздействие должно быть заметным. За счет него встречный лидер от молниеотвода должен вырасти на величину, сопоставимую с высотой металлического молниеприемника. Как минимум, речь пойдет о величине порядка десятка метров. 

Представленные здесь результаты компьютерного моделирования выполнены в ЭНИН им. Г.М. Кржижановского при помощи хорошо апробированного программного обеспечения. Оно позволяет последить за динамикой формирования встречного лидера от заземленного стержневого электрода различной высоты в заданном электрическом поле грозового облака с учетом его искажения объемным зарядом короны. 

Рис. 1

Данные на рис. 1 характеризуют процесс в весьма благоприятных условиях, когда высота стержневого молниеотвода равна 50 м, электрическое поле атмосферы поднялось до 50 кВ/м, а длительность управляющего импульса напряжения составила 500 мкс. Легко убедиться, что последствия управляющего воздействия оказались тем не менее достаточно скромными. При амплитуде импульса в 100 кВ встречный лидер прекратил свое развитии, продвинувшись всего на  2 м,  и даже при U = 300 кВ он остановился, не дотянув до 5 м, - величина мало значимая для молниеотвода высотой в 50 м. Потребовалось увеличить амплитуду управляющего воздействия до 500 кВ, чтобы обеспечить рост встречного лидера  без остановки даже для такого отнюдь не низкого молниеотвода.

Еще в большей степени результат управляющего воздействия зависит от его длительности. Это демонстрируют результаты компьютерного моделирования на рис. 2. 

Рис 2.

Они выполнены для стержневого молниеотвода типичной высоты 30 м в типичном грозовом электрическом поле 20 кВ/м, но при амплитуде управляющего импульса напряжения в 2,5 МВ. На столь сильное управляющее воздействие не рискуют замахиваться даже самые лихие изобретатели активных молниеотводов. Влияние длительности управляющего воздействия оказывается крайне серьезным. При времени менее 10 мкс длина встречного импульса не превышает 1 м, а при 100 мкс она всего лишь удваивается. 

Итог предельно ясен, — управление точкой удара молнии хотя и возможно, но необходимо требует импульсов напряжения амплитудой в сотни киловольт при длительности как минимум порядка 100 мкс.

Производство управляющего импульса с такими параметрами не вызывает технических проблем. Проблематичным становится только ограничение габаритных размеров подобного источника. При использовании ординарных материалов, доступных массовому производству, речь может идти о размещении источника в объеме не меньше десятых долей кубометра. Именно это обстоятельство становится главным препятствием разработки активного молниеотвода в современных условиях. Устройства, рекламируемые сегодня на мировом рынке, размещаются в объеме не больше нескольких литров. При таком объеме источник, не в состоянии обеспечить длительность импульса более 1 – 3 мкс при амплитуде близкой к 200 кВ, заявляемой в рекламных проспектах фирм-производителей.

Ответ на вопрос об эффективности столь кратковременных воздействий дает опыт эксплуатации. Он накоплен не только в лабораторных условиях, но и в достаточно длительных полевых наблюдениях, когда эффективность активных молниеотводов сравнивалась с традиционными той же высоты. Если честно, то сравнения так и не получилось. В течение нескольких лет наблюдений молния попросту игнорировала установленные активные молниеотводы, предпочитая им исключительно традиционные. 

Чтобы произвести анализ столь поразительных результатов, потребовалось уточнить расчетную компьютерную модель процесса, приняв во внимание двойственную природу влияния начальной стримерной вспышки, что предшествует старту лидера.  Во-первых, ток ее многочисленных ветвей разогревает общее основание (стебель), где при определенном энерговкладе и зарождается встречный лидер. Во-вторых, заряд этих ветвей резко снижает электрическое поле у вершины молниеотвода, задерживая продвижение родившегося канала на время, необходимое для восстановления поля за счет дополнительного подъема напряжения и в результате дрейфа внедренного заряда к грозовому облаку.  Эффект экранирования значителен.  Эксперимент, результаты которого представлены на рис. 3, позволяет оценить конкретный результат кратковременного воздействия напряжения в условиях, сходных с условиями работы активных молниеотводов. Стержневой электрод высотой 3 м с полусферической вершиной радиусом 1,5 см устанавливался на заземленной поверхности, контактируя с ней через резистор, на котором формировался управляющий импульс напряжения длительностью 3 мкс с крутым фронтом. Амплитуда импульса достигала 300 кВ. Отрицательное напряжение амплитудой до 1,2 МВ с длительностью фронта ~ 200 мкс на плоскости, поднятой на высоту 6 м над уровнем земли, имитировало в разрядном промежутке электрическое поле атмосферы, обусловленное зарядом лидера нисходящей молнии. Оптическая картина разряда (рис. 3А) фиксировалась электронно-оптическим преобразователем при непрерывной развертке синхронно с осциллограммами напряжения на промежутке (рис. 3Б), внедренного объемного заряда (рис.3В) и напряженности электрического поля у вершины стержня (рис. 3Д). 

Рис 3.

При   воздействии управляющего импульса возбуждалась мощная стримерная вспышка с зарядом порядка 10 мкКл, который, экранируя электрическое поле у вершины электрода, снижал его вплоть до нуля и далее вплоть до перемены полярности.  Тем самым примерно на 80 мкс полностью прерывалось формирование встречного лидера. В результате электрическая прочность испытуемого воздушного промежутка не только не снижалась за счет управляющего воздействия, но, напротив, увеличивалась на 20 – 25%. С учетом этого факта становятся понятными результаты испытаний ESE-молниеотводов в полевых и лабораторных условиях, показавшие их существенно меньшую эффективность по сравнению с обычными стержневыми той же высоты, — более чем убедительное основание для отказа от их применения в практике молниезащиты.

Принципиально важно, что произведенный анализ не опирался на какие-либо конструктивные особенности активных молниеотводов, кроме габаритных размеров активной насадки, формирующей управляющее напряжение. Тем самым заключение о полной бесполезности современных конструкций активных молниеотводов с малогабаритной насадкой для практической молниезащиты становится универсальным и нуждается в обязательном нормативном утверждении. 

Книга "Вопросы практической молниезащиты" Э.М. Базеляна Тераваттный лазер - революция в молниезащите? Мнение профессора Э.М. Базеляна Испытания активной молниезащиты Чем грозит установка активных молниеотводов?