1. Заряд короны

ЭФФЕКТ
ОБЪЕМНОГО
ЗАРЯДА КОРОНЫ
В
МОЛНИЕЗАЩИТЕ
Э.М. Базелян
ОАО «ЭНИН»
В докладе использованы результаты исследований
нестационарной короны в электрическом поле
грозового облака, выполненные в 2000 – 2014 гг
творческим коллективом специалистов
ЭНИН, ИПМ РАН, МФТИ
Публикации:
Физика плазмы
2002,2005
УФН
2007
Энергетика
2010
J. Phys. D: Appl. Phys
2001, 2005, 2007, 2013
Plasma Sour Sci. Technol
2008
J. of Electrostatics 2006
Atmospheric Research
2006,2007,2009
J. of Atmospheric and Solar Phys. 2014
Ключевые соавторы – Ю.П. Райзер
Н.Л. Александров
Ситуация различается
только
облаком объемного
заряда короны !!!
Б. ФранклинШтырь на крыше, испуская
заряды, разряжает грозовое
облако-исторический научный
анекдот?
Почти 100%
вероятность
возбуждения
молнии (за ~ 5 с)
1 восходящая молния
за 40 грозовых часов
Корона в поле грозового облака
1. Теория нестационарной короны (сферическая геометрия)
 1  2
 2
r E  0
t r r
1  2

r E
2
r r
0

R
r0
r0
E (r0 )  Ecor  const
U   Edr   Edr  E f R
R
Q  4  r dr
2
r0
dQ
i
dt
dR
 v f  E f
dt
Решение для U(t) = At при R>> r0
A
i  20
t
3
3
A
R
t
3
!!! Сильная зависимость тока от А =dU/dt !!!
i ~ 1/2
для U(t)= const
1
R~ t i~
t
Критический ток короны –
 dE 

 0
 dr  r r0
icr  80r0 E
2
cor
Производительность короны
Производительность короны
Одиночный электрод бесполезен !
Многоэлектродная коронирующая система
(асимптотика)
σ = ε0(E0 – E0cor)
jcor = dσ/dt = ε0dE0/dt
Есть ли сходство с реальными системами?
Многоэлектродная коронирующая система
(реальность)
1 окр – 6,55 мкА
5 окр – 2,4 мкА
10 окр – 1,93 мкА
20 окр – 1,72 мкА
Одиночный электрод высотой 10 м -Imax = 23 мкА
Многоэлектродная система
Влияние высоты электродов
Система коронирующих проводов
Необходимость 2D-моделирования
Сравнение 1D и 2D расчетных моделей
Поле E0 растет линейно
до 40 кВ/м за 10 с
h = 15 м
Мультитросовая коронирующая система
Высота проводов 40 м
Шаг расстановки 20 м
Поле облака растет линейно
до 40 кВ/м за 10 с
Влияние параметров троса в системе
Система из 41 троса
Шаг расстановки тросов
Высота подвеса тросов
Грозовое поле растет
линейно до 40 кВ/м за 10 с
Многоэлектродная коронирующая система
(итог)
σ = ε0(E0 – E0cor) –
- независимо от
- типа электрода,
высоты электрода,
шага расстановки
Если E0 = 60 кВ/м, то max < 0,53 Кл/км2
Средняя молния переносит на 2 порядка больше!
Влияние короны на старт встречного
лидера от наземного сооружения
Стадии процесса:
1. Квазистационарная корона от
вершины
2. Переход короны в стримерную
форму
3. Рождение лидера в стеме короны
4. Развитие жизнеспособного лидера
Рождение и развитие восходящего лидера
Условия старта:
- Старт стримерной вспышки
icr = 80r0E2cor
- Нагрев плазмы в объеме стема до 5000 К
Ucr  400 кВ
Проверка жизнеспособности:
Utip  Ucr Ek  E0
iL = LvL =
CUtvL
b
EL 
iL
v L  aU
a = 1500 см2 с-1В-1/2; b = 300 В A(cм)-1
1/ 2
t
Поле грозового облака, обеспечивающее
жизнеспособность лидера
Как превысить критический ток?
icr = 80r0E2cor~ 10 мА
Адекватный эффект –
-подброс потенциала головки
- всего на 10 кВ за 1 мкс
??? ESE-молниеотвод !
Стержень h=30 м
 dE0 
6
1

  5 10 кВ( м с)
 dt cr
Стримерная вспышка – еще не лидер!
E0 растет линейно
до
E 40 кВ/м за 10 с
При меньшей высоте нет лидера
ESE - молниеотвод
Если встречный лидер трудно
стимулировать,
есть смысл полностью подавить
его!
На что способна многоэлектродная система
(коронирующие стержни)
jcor = ε0dE0/dt;
icor =jcorD2 = ε0D2dE0/dt
icr = 80r0E2cor
L
EL 
20 hгол
lid vlid

 dE0 
20 

 dt  cr
8r0 E
 dE0 

 
2
D
 dt cr
hlid tip
Если r0 ~ 1 см, D ~ 10 см,
то
(dE0/dt)cr ~ 51010 В/(м с)
Если τlid ~ 0,5 мКл/м, vlid ~ 2105 м/с,
то
2
cor
hlid cr ~ 5 м
Встречный лидер фактически не возбуждается
Притяжения молнии к объекту нет!
Система DAS –
- жаль, что это не молниеотвод
Рой Карпентер!
На что способна многоэлектродная система
(коронирующие тросы)
jcor = ε0dE0/dt;
Icor =jcorD = ε0DdE0/dt
icr = 20E2cor
2E
 dE0 

 
D
 dt  cr
2
cor
Если D ~ 40 м,
то
(dE0/dt)cr ~ 6108 В/(м с)
hlid tip
lid vlid

 dE0 
20 

 dt  cr
Если τlid ~ 0,5 мКл/м, vlid ~ 2105 м/с,
то
hlid cr ~ 65 м
Встречный лидер фактически не возбуждается
Притяжения молнии к объекту нет!
Мультитросовые молниеотводы
Шаг расстановки тросов – 50 м
Превышение над объектом – 7 м
Расчет по статистической методике
Ожидаемые результаты
Тросовая молниезащита ПС:
- обеспечение защиты территории ОРУ ПС 110 – 750 кВ от прямых
ударов молнии с надежностью свыше 0,999;
- снижение числа ударов молнии в территорию ПС примерно
в 2,5 раза;
- полная ликвидация опасных импульсных воздействий на цепи
вторичной коммутации при растекании токов молнии в грунте
на территории ПС;
- существенное ослабление воздействия электромагнитных наводок
на микропроцессорную технику от тока в канале молнии и в
грозотросах;
СПАСИБО ЗА ВНИМАНИЕ