Особенности активной защиты от молний

На рынке представлено множество систем активной молниезащиты. При этом производители редко дают полную информацию о параметрах предлагаемых систем. А если и дают, то крайне скудную, непонятную и уж точно не отвечающую на главный вопрос: какой уровень защиты обеспечивает предлагаемая система?

Обычно вся конкретика в описаниях и технической документация сводится к тому, что представленная техника может выдержать удар молнии. Производитель прилагает соответствующий сертификат и этим ограничивается. А вот документации, которая бы содержала результаты тестирования конкретного токоприёмника с указанием точных параметров его надёжности, вы не увидите точно. Причём касается это оборудования практически ото всех компаний, независимо от стоимости их продукции.

Рассмотрим ряд показателей, которые производители, как правило, всё-таки раскрывают. Их предоставление необходимо не столько для покупателей, сколько для того, чтобы оборудование прошло сертификацию. Всего таких параметров четыре:

1. Проверка на прохождение импульсного тока с амплитудой 100 кА. Эта проверка подтверждает, что оборудование может выдержать даже мощный разряд молнии.
2. Тестирование ЭМС в системах, оборудованных электрическими блоками.
3. Тест на устойчивость к коррозии. В ходе него проверяется, как поведут себя металлические детали под воздействием сернистой среды и солевого тумана.
4. Проверка упреждения стримерной вспышки. Пожалуй, только данный пункт имеет хоть какое-то отношение к молниезащите как таковой.

На последнем пункте стоит остановиться подробнее. Тестирование для проверки упреждения стримерной вспышки проводится в лабораторных условиях. При этом используются два молниеприёмника. Один считается эталонным, второй – активным. Высота обоих громоотводов – 2 метра. Они проверяются методом воздействия импульсов высокого напряжения в постоянном поле мощностью до 25 киловатт.

Во время эксперимента специалисты регистрируют моменты отхода встречных разрядов от наконечников громоотводов. Для того чтобы проверяемый активный громоотвод прошёл тестирование успешно, нужно, чтобы время старта разряда от него фиксировалось с опережением около десяти микросекунд. В принципе, этот показатель косвенно отражает эффективность активной молниезащиты. Однако данный эксперимент можно считать противоречивым по нескольким причинам:

• во-первых, такая методика не даёт гарантии того, что фиксируется именно стример. Помимо него это может быть, например, встречный лидер. Более того, при исследовании не учитываются оптические регистрации. В целом данная методика не соответствует современным требованиям к проводимым экспериментам;
• во-вторых, встречный лидер в реальных условиях не всегда появляется со стартом вспышки. Чтобы данное событие состоялось, нужно стечение ряда обстоятельств, необходим вклад в её стебель;
• в-третьих, даже если лидер появился, он не обязательно будет жизнеспособным. Нередки случаи, когда его развитие ограничивается зоной разряда короны. Соответственно, в такой ситуации перехвата молнии не произойдёт, защита не сработает. Подобные случаи зафиксированы как на реальных объектах, так и в лабораториях.

Ещё один важный аспект, из-за которого можно усомниться в точности упомянутых исследований, связан с несоответствием масштабов объектов в лаборатории и в реальности. В случае с обычными громоотводами роль масштаба не так велика, хотя, конечно, тоже имеет место быть. Но когда речь идёт об активной молниезащите, масштаб становится особенно актуальным. Дело в том, что в лабораторных условиях используются уменьшенные электроды и, соответственно, исследуется уменьшенный разрядный промежуток. При этом параметры импульсного источника остаются стандартными. Так как его накопительная ёмкость – величина постоянная, то вполне может оказаться, что её энергетический вклад окажется недостаточным для реального молниеотвода, размеры которого в разы больше, чем у лабораторной модели.

Измерять задержку старта стримера можно только для того, чтобы зафиксировать конкретные показатели в ходе эксперимента. Эти замеры не отражают различных условий, при которых может зарождаться встречный разряд. Кстати, для того, чтобы обеспечить срабатывание данной системы, необязательно увеличивать напряжение на электродах. Как показывает практика, для этого достаточно изменить форму наконечников на громоотводах, которые обследуются в лаборатории. В частности, сделать один из них коническим, а второй – полусферическим.

Опишем один эксперимент, который покажет, как будут работать электроды разной формы в лабораторных условиях. Для этого используем конусный наконечник с углом 30 градусов и полусферический диаметром 5 сантиметров. Высота громоотводов составит 1 метр. Расстояние от их наконечников до заряженного объекта сверху – 2 метра.

В ходе эксперимента результаты фиксировались с помощью осциллограмм. Согласно им, запуск встречного разряда происходил одновременно с возникновением объёмного разряда. В результате эксперимента удалось выяснить, что разряды, идущие от конусовидного молниеотвода, опережают искру от шарообразного наконечника. Однако, несмотря на это, скорость начала старта встречной искры практически не повлияла на вероятность попадания искусственной молнии в электроды разных типов. Разница здесь составила всего 7 процентов. В целом данный эксперимент хотя и интересен, но всё-таки не может дать достаточную информацию об эффективности активной молниезащиты.

Исследования в этом направлении активно ведутся во многих странах, в том числе в России. В 2014 году были обнародованы результаты масштабного исследования, проведённого ОАО «26 ЦНИИ». Специалисты этого института сравнивали два устройства. Первое – стандартный громоотвод со стержневым электродом. Второе – стандартная активная молниезащита М-200. Высота этих устройств одинаковая. В лабораторных условиях экспериментаторы формировали искровые разряды длительностью 250/2500 мкс при амплитуде напряжения 3,5 МВ. Результаты получились противоречивые. Во-первых, оказалось, что производитель значительно завысил зону, в которой работает активный громоотвод. При этом обычный стержневой электрод принял на себя примерно на треть больше ударов. Исследователи тщательно следили за тем, чтобы условия для обеих испытуемых систем были одинаковыми. Впоследствии полученные результаты неоднократно перепроверялись и были подтверждены, так что данное исследование можно считать объективным и определённо заслуживающим внимания.

Интересно то, что похожие эксперименты со сходными выводами, но не в лабораторных, а в полевых условиях проводили в 2003 году учёные из Нью-Мехико. Они следили за тем, как ведут себя во время грозы обычные молниезащитные стержни и их активные аналоги, сопоставимые по высоте. Оказалось, что вероятность попадания разряда в активную молниезащиту ниже. Результаты этого исследования были предоставлены в компанию, занимающуюся выпуском ESE-громоотводов, но там от комментариев отказались. И тем более производитель не стал признавать правдивость полученных результатов.

Проблема здесь в том, что компании, выпускающие системы ESE, скрывают показатели тех компонентов, с помощью которых происходит управление импульсным разрядом. По этой причине расчёты эффективности в данной сфере крайне затруднены. Имея на руках сведения об особенностях управления импульсным разрядом, любой опытный инженер, специализирующийся на молниезащите, сможет провести все необходимые расчёты. Пожалуй, главный тип данных, которые получают в результате таких расчётов, ‒ это временные параметры. Их можно было бы рассчитать, так как часть данных (например, о габаритах конденсаторов и размерах стержней громоотводов) уже опубликована. Проведя расчёты, специалисты смогли бы определить ёмкость источников управляющего напряжения.