Активні блискавкоприймачі: лабораторні дослідження і спостереження в умовах експлуатації

Кристіан Леонард Хжан
Вроцлавська політехніка

У статті наводяться результати лабораторних досліджень активних блискавкоприй-мачів (АБП) з ранньою емісією стримерів (ESE – early srtreamer emission), а також 10-річних спостережень їх експлуатації у Малайзії і одного випадку на терені Польщі. Лабораторні дослідження полягали у вимірюванні імпульсної напруги і часу до пробою у електродних си-стенах двох типів, в яких одним із електродів був активний або класичний (стрижень Франкліна) блискавкоприймач, а другим -плита або стрижень. При випробуваннях застосовувались імпульсні грозові напруги 1,2/50 мкс і комутаційні напруги 250/2500 мне з від’ємною або додатною полярністю. Міжелектродна відстань змінювалася в діапазоні від 0,1 до 4 м,при цьому напруга пробою знаходилась у межах 200 кВ – 2,5 МВ. Досліди довели, що для обох типів електродних систем електрична міцність повітря є практично однаковою. Наведено приклади недостатньої ефективності активних блискавкоприй-мачів у реальних умовах експлуатації. Автор вважає, що електрична міцність повітря в системі «блискавка – активний блискавкоприймач» така ж сама, як і в системі «блискавка – класичний блископрймач», а оцінки ефективності активних блискавкоприймачів за критерієм часу емісії зустрічних стримерів є неточними. Тому правдоподібно, що захисні зони активних та класичних блискавкоприймачів є однаковими.

Частина 1

Вступ

Вже минуло понад 250 років, як Бенджамін Франклін винайшов блискавковідвід. Класичні блискавковідводи Франкліна – це прості елементи (зокрема, стрижні), метою яких є перехоплювання грозового розряду, а отже захист інших предметів та осіб перед наслідками безпосереднього влучення блискавки. Ефективність винаходу призвела до того, що досить швидко розпочалось облаштування блискавковідводами церковних веж, палаців, кораблів [1]. У XIX сторіччі ціни на сталь знизились настільки, що блискавковідводи монтувалися вже навіть на будинках власників середнього статку.

Задача, яка постійно є темою наукових досліджень, полягає у визначенні розмірів захисних зон для різних видів блискавковідводів (вертикальних, горизонтальних, системи провідників). Ще в XIX сторіччі було помічено, що блискавка часом може не влучити у блискавковідвідний пристрій, а уразити об’єкт захисту [2]. У XX сторіччі, коли блискавковідводами почали захищати дуже високі хмарочоси, радіо та телевізійні антени, такі випадки стали спостерігати частіше. Труднощі надійного визначення зон захисту викликані в основному стохастичним характером явища блискавки. І саме стохастичним характером блискавки, а отже не зовсім передбаченим, можна пояснити окремі випадки влучення блискавки у розраховану класичну захисну зону.

Дослідники шукали способи збільшення ефективності захисту, зокрема, застосовуючи радіоактивні голівки на блискавковідводах [3,4]. У 1914 році таку пропозицію зробив співробітник Марії Склодовської-КюрІ Шіллард [5]. 3 1930-х років блискавкоприймачі з джерелами радіоактивності почали застосовуватись у багатьох країнах, а в деяких публікаціях повідомлялося про значну захисну зону з радіусом 250 м [6]. Як джерело радіоактивності використовувалися америцій (Ат 241), радій (Rа 226), цезій (Сs 137), кобальт (Со 60), криптон (Кr 85), полоній (Ро 210),торій (Тh 90) з інтенсивністю випромінювання від 0,70 мкКі до 200 мКі (Кі – Кюрі), які розміщувалися у контейнерах поблизу кінця блискавкоприймача.

Слід зазначити, що штучна іонізація повітря радіоактивними елементами широко і успішно застосовувалась у іскрових розрядниках для захисту від великих струмів блискавок та перенапруг. Таким способом досягли суттєвого зменшення напруги загоряння, часу до загоряння і розсіювання. Цей ефект одержано у розрядниках з досить малим зазором між електродами (у межах кількох міліметрів), у електричному полі з великою напруженістю (у межах 20 кВ/см) і з майже однорідним його розподілом. Сподівання, що слабке джерело іонізації таким самим чином збільшить ефективність блискавкоприймача, тобто зменшить електричну міцність повітря на відстані в десятки метрів, виявилися безпідставними. Як довели подальші детальні дослідження, практична дальність ефективної дії іонізації від радіоактивних елементів, що застосовувались, становила лише близько 1 см. Тому експериментальне доведення неефективності радіоактивних блискавкоприймачів не викликало великих труднощів [6]. Наприклад, Баатц [5] у 1971 проводив дослідження електричної міцності повітряного проміжку величиною 5,4м для вертикальної системи електродів «стрижень-стрижень» з радіоактивною голівкою на заземленому стрижні та без неї. Результати були практично однакові в обох системах (табл.1).

У 1980-х роках в багатьох країнах було прийнято заборону щодо застосування радіоактивних блискавкоприйиачів з уваги на охорону навколишнього середовища від радіоактивності.

Незабаром на ринку з’явились пристрої, так звані активні блискавкоприймачі, із спеціальним пристроєм, який при наближенні блискавки нібито ініціював поблизу кінчика блискавкоприймача ранню емісію зустрічного стримера (ЕSЕ – Еаrlу Streamer Emission, англ.). Ці пристрої повинні були замінити радіоактивні блискавко приймачі. Але ні принцип дії, ні постульовані величини захисних зон активних стримерів не були науково доведені і спочатку викликали численні застереження [З,4]. Незважаючи на це, розпочалось виробництво та установка цих пристроїв у багатьох країнах.

Для перевірки ефективності активних блискавкоприймачів (АБП) типу ЕSЕ в Університеті м. Дармштадта (Німеччина) автором нещодавно були проведені лабораторні випробування трьох моделей від різних виробників. Далі в статті наводяться деякі результати цих експериментальних досліджень [7], а також спостережень з 10-річної експлуатації АБП на спорудах в Малайзії і Польщі [8].

Таблиця 1
50-відсотковапробивна напруга (кВ) при дії комутаційни хімпульсів напроміжок «стрижень – стрижень»звідстанню 5,4 м [5]

Полярність	Радіоактивнаголівка	Класичнийпристрій
Від’ємна U50%	3030	3010
Додатна U50% +	1740	1730

Гіпотеза щодо дії активних блискавкоприймачів (АБП)

Існує декілька різновидів АБП, в яких іонізація повітря і ініціація стримерів навколо вістря відбувається:

• постійно за допомогою п’єзоелектричного елемента з використанням енергії вітру (наприклад, виробник Franklin, Франція );
• за допомогою електричних імпульсів від мікрогенератора; енергія надходить із накопиченого заряду у конденсаторі, який заряджається за допомогою так званих збиральних електродів від електричного поля лідера, який наближається до АБП (наприклад, виробник Indelec, Helita, Франція);
• за допомогою електричного пристрою з котушкою; лідер, який наближається від хмари, індукує в ній напругу (наприклад, виробник ORW-ELS; у Франції можна зустріти під маркою POUYET).

Треба підкреслити, що ці пристрої є пасивними, не вимагають спеціального зовнішнього джерела і ліній живлення.

Французький стандарт NFC 17-102 уточнює докладні умови досліджень, а також засади оцінки характеристик блискавковідводів з активними голівками. Дослідження проводяться у однакових умовах як для (1) блискавкоприймачів з активною голівкою, так і для (2) традиційного блискавкоприймача, а оцінка спирається на порівняння часу емісії зустрічних плазмових розрядів. Згідно з прийнятою гіпотезею вважають, що в однакових умовах у порівнянні з класичними стрижнем, блискавкоприймачі типу ЕSЕ викликають більш ранню, на 10-120 мкс (час ∆T), ініціацію плазмового розряду. Час ∆T обчислюється по формулі (1) на підставі серії випробувань у системі «електрод плита – стрижень» при імпульсній комутаційній напрузі, наприклад 250/2500 мкс. До плити підводиться комутаційній імпульс. Заземлений стрижень Франкліна або активний блискавкоприймач знаходяться під плитою. Відстань між електродами становить 1 м.

Лабораторні дослідження мають показати певну різницю у часі ініціювання розрядів в одному і другому випадках:

∆T=TF’-TESE’ (1)

де TF’,TESE’ – часи ініціації зустрічного плазмового каналу відповідно для стрижня Франкліна і для блискавкоприймача типу ЕSЕ (рис. 1).

Припускається, що ініційований плазмовий канал стримера викликає подовження фізичної висоти блискавкоприймача, а отже і збільшення висоти охоронної зони на відрізок ∆L. Приймаючи швидкість зустрічного плазмового розряду постійною, V+=106 м/с, Берже [9] запропонував формулу (2) для обчислення збільшення довжини шляху орієнтування блискавки на відрізок ∆L. При таких вихідних даних відрізок ∆L міг би становити від 10 до 120 м ∆L=V+∆T (2)

Прихильники ж стрижнів Франкліна твердять, що такого самого результату можна досягти простим подовженням цього класичного блискавкоприймача. Вони вважають, що застосування активних блискавкоприймачів економічно не обґрунтовано, а можлива вигода досить сумнівна. Крім того, еони вказують, що прийняття постійної і такої великої швидкості зустрічного розряду є помилковим. З багатьох проведених досліджень випливає, що вона фактично значно менша, і лише на кілька мікросекунд перед з’єднанням східчастого лідера з зустрічним розрядом може зрости до величини 2 м/мкс. Тому у формулі (2) швидкість V+ повинна бути менша і становити 2∙104 м/с [10]. За таких вхідних даних оцінки величини відрізка ∆L дають значення лише від 0,2 до 1 м.

Рис.1. Визначення TF,TESEта ∆T

Обчислення ефективності активних блискавкоприймачів на підставі формули (2) видається дуже ризикованим, бо час ∆T визначається в штучних лабораторних умовах визначених французькою нормою NFC 17-102. 3 технічної літератури відома залежність довжини так званого шляху ураження (striking distance, англ.) D блискавки від струму головного розряду для класичних блискавкоприймачів. Проте досі залишається недослідженим, як (або чи) відстань D залежить від часу ініціації зустрічного плазмового каналу, що емітується блискавкоприймачем з довжиною близько 1 м.

Частина 2

Лабораторні дослідження активних блискавкоприймачів

Напруга пробою системи електродів визначалась методом серій. Кожна серія складалась з 10 імпульсів однакової амплітуди. Амплітуда чергової серії імпульсів збільшувалась приблизно на 1% для грозових імпульсів або приблизно на 1,5% для з’єднувальних імпульсів. У кожному досліді з напругою, коли виникав пробій, вимірювався час до пробою. Визначалась максимальна напруга, при якій 10-разово не виникло пробою (позначена умовно як напруга, що витримується, U0%), а також мінімальна напруга, при якій 10-разово виник пробій (U100%). Після визначення напруги пробою і часу до пробою АБП закорочувався і зразу ж виконувались досліди з таким чином підготованим блиснавкоприймачем Франкліна. При фіксованій відстані між електродами і полярності вимірювання виконувались протягом приблизно 2 годин для АБП, а потім для блискавкоприймача Франкліна, На такому короткому відрізку часу змінами кліматичних умов можна знехтувати і вважати, що вони не мали значного впливу на результати дослідів з напругою. Результати вимірювань. Результати деяких вимірювань напруги пробою системи електродів у діапазоні відстаней від 0,5 до 4м показані у табл. 1-4, а результати вимірювання різниці часу до пробою системи із класичним і активним блиснавкоприймачани подані у табл. 5 і 6.  У цих таблицях позначено: ЕSЕІ, ЕSЕ2, ЕSЕЗ – активні блискавколриймачі; ЕSЕ1S, ЕSЕ2S, ЕSЕ3S – закорочені активні блискавкстриймачі, або стрижні Франкліна. Із табл. 1-4 видно, що електрична міцність систем із АБП практично така ж сама, які систем із класичними стрижнями.Табл. 5 і 6 показують, що час до пробою системи із активним блискавколриймачем може бути меншим, ніж у системі із класичним стрижнем (∆T >0) або більшим (∆T <0). Якби АБП мали властивості, які стверджуються виробниками, то електрична міцність проміжків з системами із активними блискавкоприймача-ми мала б бути завжди меншою, ніж у випадку систем із стрижнями Франкліна. А також час до пробою систем із АБП мав би у такому випадку бути коротшим (∆T >0). 

Час до пробою у дослідах із комутаційними імпульсами характеризується великим розкидом. У одній серії можливі пробої як на фронті їм пульсу (наприклад, з часом Tb=84 мкс) так і на спаді імпульсу (Tb=84 мкс). Досить велике знамення ∆T = -122 мкс у табл. 6 для  відносно короткого проміжку у 0,5 м виникає із помітної різниці величин часу до пробою удвох системах. Цей час для серій випробувань систем ЕSЕ2 та ЕSЕ2S наведено у табл. 7.Незважаючи на значно менший час до пробою системи із стрижнем Франкліна, вона має практично таку ж стійкість, як і система із АБП. Тобто напруги U0% та U100% майже однаковими. Цей приклад переконливо показує, що при комутаційній напрузі час до пробою системи електродів не є вирішальним параметром, який визначає її електричну міцність, Отже, концепція активних блискавкоприймачтв, що базується на припущенні про стійкість системи «блискавка – блискавкоприймач типу ЕSЕ» на підставі вимірювання часу до пробою в системі «плита – блискавкоприймач типу ЕSЕ», є щонайменше неточною. 

Таблиця 1
Напруга пробою у системі «плита – стрижень» при комутаційних імпульсах (відстань 1 м) 

	+SI		-SI
Тип	U0’	U100’	U0’	U100’
ESE1	1060	1180	470	530
ESE1S	1060	1180	470	550
ESE2	1150	1180	445	500
ESE2S	1150	1180	460	500
ESE3	1150	1180	460	500
ESE3S	1150	1180	460	500

Таблиця 2
Напруга пробою у системі «плита – стрижень» при грозових імпульсах (відстань 1 м) 

	+SI		-SI
Тип	U0’	U100’	U0’	U100’
ESE1	910	920	520	545
ESE1S	930	990	520	540
ESE2	920	1020	515	540
ESE2S	935	1005	520	540
ESE3	910	1035	525	540
ESE3S	935	1025	525	540

Таблиця З
Напруга пробою у системі «стрижень – стрижень»
при комутаційних імпульсах (відстань 3 м) 

	+SI		-SI
Тип	U0’	U100’	U0’	U100’
ESE1	1040	1270	1800	2270
ESE1S	1040	1280	1860	2220
ESE2	985	1310	1770	2190
ESE2S	1020	1310	1910	2260
ESE3	985	1270	1760	2180
ESE3S	985	1270	1980	2180

Таблиця 4
Напруга пробою у системі «стрижень – стрижень»
при грозових імпульсах (відстань 4 м)

	+SI		-SI
Тип	U0’	U100’	U0’	U100’
ESE1	2180	2270	2440	2540
ESE1S	2240	2270	2440	2520
ESE2	2150	2240	2470	2550
ESE2S	2170	2240	2470	2550
ESE3	2180	2270	2440	2530
ESE3S	2140	2250	2410	2530

Таблиця 5
Час ∆T(мкс) для активних блискавкоприймачів у системі «плита – стрижень» при комутаційних Імпульсах 

Таблиця 7
Результати вимірювань пробивних напруг і часу до пробою у системі «плита – стрижень» при комутаційних імпульсах додатної полярності (відстань 0,5 м)  

Тип	U0’ кВ	U100’ кВ	Час до пробою у серії, мкс
ESE2	905	1045	322	213	348	82	325	310	118	312	350	84
ESE2S	930	1060	57	38	285	78	40	168	195	278	62	39

Спостереження АБП у умовах експлуатації 

Спостереження рівня ефективності АБП типу ЕSЕ здійснюються у Малайзії з 1990 року [8, 11]. За цей час було зареєстровано більш ніж 200 ушко¬джень на понад 100 будинках, що були спричинені блискавками внаслідок того, що вони не влучили у АБП. Більшість об’єктів була захищена одним АБП, розміщеним у центрі нагорі споруди. Кілька споруд були оснащені двома голівками. Ці блискавкоприймачі виготовлені шістьма різними фірмами. Серед них були блискавкоприймачі типу ЕSЕ (6 моделей) і радіоактивні (3 моделі). Висота пошкоджених бу¬динків коливалась від 15 м до 170 м. Найчастішими місцями влучення блискавки були гостро закінчені шпилі на дахах та ребра стін. Звичайно, більше ушкоджень знайдено на дуже високих будинках, наприклад, 11 на одному будинку з висотою 170 м. На рис. 2 і 3 наведені фото двох прикладів пошкод¬жень будинків блискавкою у Малайзії в результаті прориву захисту блискавкоприймачів типу ЕSЕ. Спо¬стереження доводять, що розміщений у центрі спо¬руди АБП не забезпечує достатнього захисту. 

У Польщі автору відомий тільки один випадок неефективності АБП типу ЕSE. Влітку 2002 р. блис-кавка вдарила в будинок подружжя Всчорковських у Камінці Вроцлавському, Будинок був оснащений АБП, який було змонтовано у найвищій точці А на висоті 13 м (рис, 4). Проте блискавка влучила у точку В, віддалену приблизно на 18 м від точки А. Була ушкоджена стіна, а також кілька електронних пристроїв всередині будинку. Під час первинної інсталяції виробник блискавкоприймача запевняв, що радіус охоронної зони активної голівки стано¬вить ЗО м, В результаті подання рекламації в точці В споруди за кошти розробника захисту було розміщено додаткову голівку, яку змонтували на щоглі висотою 3 м. 

Висновки 

Імпульсні напруги пробою повітряних проміж¬ків довжиною до 4 м, у яких заземлений електрод являє собою АБП, практично такі ж самі, як і в сис¬темах з класичним стрижневим блискавкоприймачем. Тому можна очікувати, що захисна зона АБП така ж сама, які в системах із стрижнем Франкліна. 

Концепція АБП, що базується на припущенні про електричну міцність системи «блис¬кавка – блискавкоприймач типу ЕSЕ» на підставі порівнянь часу емісії зустрічних стри¬мерів (і часу до пробою), є неточною. 

Результати дослідження свідчать, що ні в лабораторних умовах (відстані до кількох метрів), ні в природних умовах експлуатації АБП не виконують завданню для якого вони декларовані. Спостереження доводять, що їх охоронна зона насправді значно менша від тієї, яку подають виробники. АБП недостатньо ефективні як на високих, так і на низьких спорудах. Отже, їх застосування із начебто збільшеною зоною захисту на даний час не є достатньо обґрунтованим. 

Автор буде вдячний всім за повідомлення (через редакцію) про подальший досвід досліджень та експлуатації активних блискавкоприймачів. 

Висловлюю щиру подяку доценту Володимиру Шостаку (Національний технічний університет України «КПІ») за плідне обговорення та допомогу з редагуванні статі. 

Література: 

• Chrzan K. L. Historia piorunochronu w Polsce // Przegl№d Etektrotechniczny, 8, 2002.
• Golde K.H. Lightning Protection. – Edward Arnold, 1973, – P. 32, 33.
• Ftisowski Z. Promowana i rzeczywisto skuteczno piorunochronyw ESE // Przegl№d Etektrotechniczny 11, 1998.
• Chrzan K.L. Smycz E. Zwody aktywne z wczesn№ emisj№ // Konferencja “Urz№dzenia pioranochronne w projektowaniu i budowie»f Krakyw, 2000, p. 66-74.
• Baatz H. Radioactive isotopes do not improve lightning protection // Eiektrotechnische Zeitschrift A, vol. 93, 1972, p.101-104.
• GoldeR.H. Lightning, vol. 2, Lightning Protection. -Academic Press, 1977. -P. 569-576.
• Chrzon K. L. Nieskuteczno zwodyw aktywnych ESE w warunkach laboratoryjnych // Przegl№d Eiektmtechniczny, 5, 2003, p. 350-352,
• Chrzon K. L., Hartono Z. A. Nieskuteczno piorunochronyw aktywnych ESE w worunkach loboratoryjnych i polowych// Wiadomcsi Elektrotechniczne, 3, 2003, p. 99-101.
• Berger G. The application of upward leader initiation time advantage in on electrogeo-metrical model// Lightning Protection Workshop, Hobart, 1992,
• Mackerras D., Darveniza M., Liev A.L Review of claimed enhanced lightning protection of buildings by early streamer emission air terminals // IEE Proc. Science Measurement Technol, 1997, p, 1-9.
• Hortono Z. A,, Robiah L, Darveniza M. A database of lightning damage caused by bypasses of air terminals on buildings in Kuala Lumpur, Malaysia // 6th Int. Symposium on Lightning Protection, Santos, Brazil 2001, p. 211-216.