Активное молниезащитное устройство

Активное молниезащитное устройство

Молниеприемник состоит из 3 частей: корпуса, генератора ионов и соединительной муфты для крепления к мачте. Корпус изготовлен из нержавеющей стали. Генератор ионов заключен в специальный кожух и расположен внутри нержавеющего корпуса. Также он покрыт специальным веществом для защиты от внешних воздействий. По мере того, как атмосферное электрическое поле увеличивается во время грозы, генератор начинает ионизировать окружающий воздух. Генератор ионов вырабатывает статические электрические заряды как положительные, так и отрицательные, вследствие чего при ударе молнии в защищаемую площадь активный молниеприемник принимает весь удар на себя, за счет создания электростатистического поля, имеющего заряд, противоположный заряду молнии. Молниеприемник имеет структуру, позволяющую поддерживать ионизацию. Чтобы усилить ионизацию в конструкции корпуса использованы поддерживающие ионизацию стержни, которые имеют активные и пассивные изолирующие электроды.

Благодаря пассивным электродам молниеприемник обеспечивает надежную ионизацию, улавливая разницу потенциалов между точкой нахождения молниеприемника и землей. Эффективность выдачи ионов повышается за счет дополнительной генераторной системы внутренней ионизации. Молниеприемник имеет аэродинамическую конструкцию.

В результате движения воздушных потоков, насыщенных водяными парами, образуются грозовые облака, являющиеся носителями статического электричества. Электрические разряды образуются между разноименными заряженными облаками или, чаще, между заряженным облаком и землей.

Итак, молния производит тепловое, электрическое, а также механическое воздействие на те объекты, через которые она проходит. Помимо прямого удара молнии в здание, сооружение, дерево, проявления молнии могут быть в виде электростатической и электромагнитной индукции.

Электростатическая индукция выражается в том, что на изолированных металлических предметах появляется разность потенциалов, вследствие чего возможно искрение между отдельными металлическими элементами конструкций и оборудования.

Во время грозы при ударе молнии в различные промышленные, транспортные и другие объекты, находящиеся вдали от производственных зданий и сооружений, возможно проникновение (занос) электростатических зарядов в здание по внешним металлическим сооружениям и коммуникациям - эстакадам, монорельсам и канатам подвесных дорог, по трубопроводам, оболочкам кабелей и т.д.

Для приема электрического разряда молнии и отвода её в землю применяют устройства, называемые молниеотводами. Молниеотвод состоит из молниеприемника, проводника (токоотвода) и заземления.

Принцип действия молниезащитных устройств

Грозовое облако создает электрическое поле между областью грозы и землей. Напряженность этого поля может превысить 5 киловольт на 1 метр.

Молния представляет собой электрический разряд длиной в несколько километров, развивающийся между грозовым облаком и землей или каким-нибудь наземным сооружением.

Разряд молнии начинается с образования светящегося пятна, называемого "ступенчатым лидером", который начинает свое движение из области тучи по направлению к земле. По направлению движения лидера - от облака вниз или от наземного сооружения вверх - молнии разделяются на нисходящие или восходящие. Лидер нисходящей молнии возникает под действием процессов в облаке и не зависит от наличия на земле каких-либо сооружений. По мере продвижения лидера к земле с наземных объектов могут возбуждаться направленные к облаку встречные лидеры. Соприкосновение одного из них с нисходящим лидером (или касание последнего поверхности земли) определяет место удара молнии в землю или какой-либо объект.

Принцип действия активного молниеприемника (АМП) основан на возбуждении навстречу этому нисходящему лидеру опережающего восходящего разряда - лидера. Когда лидеры встречаются, образуется проводник, по которому течет ток и происходит разряд молнии через молниеприемник.

Принцип действия активного молниеприемника

Примечание: Это описание имеет отношение только к нисходящему типу молний, который описывается электрогеометрической моделью. Этот тип молний самый распространенный.

Скорость распространения лидера

Последние экспериментальные данные показывают, что средние скорости восходящего и нисходящего лидеров сравнимы в течение фазы их соединения и коэффициент их отношения равен примерно 1 (между 0.9 и 1):

V=Vвосх=Vнисх=1м/мкс,

где Vвосх - скорость восходящего лидера,

Vнисх - скорость нисходящего лидера,

V- скорость образования проводника.

Преимущества АМП с точки зрения защиты

Время предупреждения

Т - параметр АМТ, определяющий запас времени предупреждения нисходящего лидера, измеряется экспериментально для конкретной модели с помощью тестов.

Путь генерации ионов

L - путь распространения восходящего лидера от АМТ

L(м)=V(м/мкс)*Т(мкс)

Защищаемая площадь определяется на основе пути распространения L на основе электро-геометрической модели (метод катящегося шара)

Принцип защиты

Простой стержневой молниеприемник

Молниеприемник может "управлять полетом" лидера молнии в пределах определенного радиуса действия.

Случай простого стержневого молниеприемника

Опытным путем доказано, что этот радиус защиты зависит от максимального значения тока первого отрицательного разряда молнии. Это означает, что все разряды молний, лидеры которых попадают в зону, ограниченную сферой радиусом D, будут перехвачены молниеприемником (см. рис. 3).

Точка А - это точка контакта сферы с молниеприемником, молниеприемник - точка разряда молнии.

Зона защиты стержневого молниеприемника определяется радиусом D (в соответствии с методом катящегося шара) от точки контакта с молниеприемником.

Случай простого стержневого молниеприемника

Защитный радиус АМП

В случае с АМП за счет генерации предупреждающего разряда расстояние до точки контакта лидеров удлиняется и определяется временем предупреждения Т и длиной пути распространения ионов L.

Где D - предел досягаемости, h - высота приемника над защищаемой поверхностью, Rp - радиус защиты АМП.

Защитный радиус АМП

Преимущества применения АМП в сравнении с другими методами

Радиус защиты одностержневого молниеприемника, тросового молниеприемника и метода сетки определяется в соответствии с моделью катящегося шара и, как выше было представлено, этот радиус гораздо меньше, чем радиус действия АМП вследствие использования предупредительных разрядов.

Зона защиты при использовании этих методов, в сравнении с зоной защиты АМП, имеет менее удачную форму. Зона защиты АМП позволяет более надежно покрыть большую площадь.

Если необходимо защитить здание большой площади, то можно использовать 2-3 молниеприемника. Если не используем АМП, то необходимо применять метод сетки, т.е. укладывать металлическую сетку через расстояние 10 м и делать спуски с заземлителями. При этом методе во много раз увеличивается расход металла, усложняется конструкция и снижается надежность системы, за счет возможности возникновения разрывов в цепи проводников.

Защита зданий с помощью тросовых молниеприемников и методом сетки

Защита здания большой площади с помощью АМП

Установка одного АМП и контура заземления из нескольких заземлителей гораздо экономичнее по использованию металла в сравнении с методом сетки, тросовых и одиночных молниеотводов. Контур заземления для АМП прост в изготовлении, нет необходимости выкапывать траншеи по периметру здания и укладывать заземлители, как в случае с пассивными молниеприемниками. Кроме того, при использовании сетки, она может оборваться, и тогда нарушится контур заземления.

АМП прост в установке, защищен от атмосферного воздействия, не требует обслуживания в процессе эксплуатации.

Защитный потенциал

Для активных молниезащитных устройств защитный потенциал рассчитывается согласно французскому стандарту NFC 17-102.

Для разных уровней:

D=20m 1 категория защиты от молнии

D=45m 2 категория защиты от молнии

D=60m 3 категория защиты от молнии

h - Расстояние между молниеприемником и самой высокой точкой защищаемого объекта.

ПРИМЕР: Самым эффективным расстоянием (h), как видно из таблицы и из чертежа, является расстояние длиной до 6 метров.

Расчет категории защиты, применяемый в IFC и в Европе, производится нижеуказанным способом:

Эффективная площадь:

Ac=Lw+6H(L+W)+9H²

L. Длина(m), W: Ширина (m), H: Высота (m)

Предположительное количество молний:

Nd = Ng*Ac*C1* 10⁶

Ng=0,04 NK^1,25 (число ударов молнии/(км²/год))

Nk: количество дней с молнией

Принятое число

Nc=5,5*10³/C

C=C2*C3*C4*C5

Если Nd<Nc - защита по желанию

Если Nd>Nc - защита необходима

Категория эффективности защиты устанавливается: по Е=1-(Nc/Nd)

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ОПАСНОСТИ ПОРАЖЕНИЯ МОЛНИЕЙ ЗДАНИЯ

Варианты монтажа

Фрагмент монтажа опоры молниезащитного устройства на земле

Фрагмент монтажа на крыше здания

Счетчик ударов молнии

Счетчик ударов молний фиксирует количество попаданий молнии, а также выдает некоторую информацию о необходимости обслуживании системы.

Счетчик ударов молнии работает на индуктивном эффекте при протекании тока от удара молнии. Эти удары фиксируются на дисплее механического счетчика. Счетчик включает высокочастотный трансформатор.

Применение и описание:

Степень защиты /IP 67.

Неперегружаемый

Токи регистрируются от 2 до 200 kA .

Механический счетчик имеет 3 разряда

Легко монтируется. Не требует никакого внешнего электропитания.