№ 5 (66) 2012

Владимир СКЛЯР

Грамм никотина убивает лошадь. Но разрушительное действие молнии имеет гораздо большие масштабы. И это не только пожары, но и мощные электромагнитные импульсы, способные вывести из строя электротехническое и электронное оборудование.

Догматика и апологетика

Традиционная молния представляет собой гигантский электрический искровой разряд между облаками и земной поверхностью (классические линейные разряды). Кто-то заметил, что ее форма похожа на «разветвленные корни разросшегося в поднебесье дерева». Найти автора этой фразы, к сожалению, не удалось, но наблюдение очень точное (рис. 1).

Системы молниезащиты с упреждающей стримерной эмиссией появились в 90-х годах прошлого века  во Франции. Изучив природу этого явления, французские ученые решили, что коль «гора не идет к Магомету, то Магомет идет к горе». Другими словами, если нисходящий лидер в результате увеличения напряженности электрического поля может инициировать возникновение нескольких восходящих стримеров (в результате чего молния может «ударить» куда угодно), то почему бы не позаботиться о формировании собственного искусственного стримера, который мог бы устремиться навстречу лидеру молнии? Каким образом? А вот это уже задача инженеров ©.
 

Как сформировать собственный стример

Специалистам известны различные методы, которые могут привести к формированию восходящего стримера от активного молниеотвода. Один из них — использование генератора Маркса (рис. 2), представляющего собой цепочку установленных параллельно конденсаторов и разрядников. Приближение лидера молнии на близкое расстояние к молниеприемнику приводит к увеличению напряженности электрического поля и пробою разрядников. Конденсаторы при этом соединяются в последовательную цепочку (пробой создает короткое замыкание в цепи), что приводит к суммированию напряжений и, как следствие, — возникновению искрового разряда. Воздух вблизи антенны ионизируется и способствует тем самым возникновению восходящих стримеров. Это очень приблизительное объяснение действия реальной схемы, применяемой в активных молниеприемниках. Энергию для стримера дает высокая напряженность поля между тучей и землей в зоне расположения активного устройства.
 

Однако схема Маркса — это лишь один из вариантов реализации идеи. На практике активные головки молниеотводов могут использовать схемы Фитча-Говела или другие решения. Описание работы генератора восходящих стримеров можно найти в документе ТГН 34.21-301-2008 («Молниезащита зданий, сооружений, открытых площадок и промышленных коммуникаций системами с упреждающей стримерной эмиссией»), изданном в России в Свердловской области. Приведем цитату: «Высоковольтные резисторы и конденсаторы соединены по схеме Маркса. Заряд конденсаторов от внешнего поля происходит через резисторы, а разряд — через разрядники, настроенные на напряжение порядка 12-14 кВ. При разряде конденсаторов напряжения складываются и формируется импульс амплитудой более 200 кВ». Там же приводится эквивалентная схема генератора (рис. 3).

Важно отметить, что искрение активного молниеприемника наступает раньше, чем обычно появляются стримеры на возвышенных предметах или на том же вертикально поднятом стержне. Именно поэтому речь идет об упреждающей стримерной эмиссии, характеризующей интервал времени между началом появление стримеров на активной антенне и вертикальном заземленном штыре. Именно эти интервалы опережения (At) и приводятся в паспортных данных молниеприемников. Другими словами, такая система начинает инициировать стример несколько раньше, чем это происходит в обычных условиях при подходе нисходящего лидера.

Производители активных молниеприемников указывают, что устройства с ранней эмиссией стримера (одно из них показано на рис. 4) имеют охранительную зону значительно большего радиуса, чем в случае применения традиционного стержня Франклина. Кроме того, утверждается, что такие устройства стимулируют более активное возникновение вспышек на поверхности активного молниеотвода во время грозы и, в конечном итоге, раннее появление восходящего лидера, устремляющегося навстречу нисходящему лидеру молнии.

Несмотря на использование прилагательного «активный» в названии молниеотводов, никаких элементов питания они не содержат, а используют резко возрастающую напряженность электрического поля, возникающую в момент устремления лидера молнии к земной поверхности.

Стандарты

Системы с упреждающей эмиссией стримера прописаны в качестве стандартов в ряде стран. Поскольку Франция ушла далеко вперед в исследовании активных методов молниезащиты, ее NFC 17-102 считается базовым. Нормативные документы, принятые в ряде других стран (табл. 1), являются производными исходного документа.

Особенностью активных молниеприемников является проведение специальных лабораторных испытаний, а также применение формул для расчета зоны защиты с использованием такого параметра, как время опережения эмиссии стримера. Нормируемая зона защиты у систем с упреждающей эмиссией стримера в разы превышает расчетные показатели традиционных решений.
В соответствии с французским стандартом NFC 17-102 радиус защиты зависит от времени опе-

Как видно из приведенных данных, с ростом высоты подъема в диапазоне от 2 до 5 метров радиус защиты быстро (почти линейно) увеличивается. Дальнейшее возвышение молниеотвода практически не дает ощутимого эффекта. При этом радиус зоны защиты (R), обеспечиваемый одиночным активным молниеприемником, превышает в отдельных случаях 100 м (при М=60 мкс и h>5 м). Известно, что пассивные системы в лучшем случае гарантируют радиус, соотносимый в высотой подъема штыря над поверхностью земли (R=h).

Несмотря на высокие декларируемые показатели эффективности систем с ранней эмиссией стримера, действующие международные и европейские нормы (в том числе базовый стандарт МЭК EN 62305) не предусматривают использование систем активной молниезащиты.

В Украине с 1 августа 2012 года приказом Минэкономики №640 от 28 мая 2012 года введен в действие стандарт ДСТУ EN 62305 методом обложки с последующим переводом. Как и его международный аналог, он имеет четыре части (табл. 3).

Экономика должна быть экономной

«Экономика должна быть экономной — таково требование времени», поведал советскому народу Л.И. Брежнев в докладе на XXVI съезде КПСС. Практическое применение этого лозунга, вероятно, и добило СССР, поскольку экономика должна быть не экономной, а эффективной.

Сейчас об «энергоэффективности и экономии ресурсов» мы слышим чуть ли не на каждом шагу. Впрочем, системы активной молниезащиты хорошо вписываются в эту парадигму, обеспечивая снижение затрат на защиту объектов от молнии.

В Украине представлены системы с ранней эмиссией стримеров ряда известных производителей — Galmar, Gromostar (Польша), Ingesco (Испания), Schirtec (Австрия), Indelec (Франция), Forend (Турция). Можно отметить, что большинство из них являются европейскими брендами.
 

Испанская компания Ingesco (www.ingesco.com) предлагает на рынке три типа активных молниеотводов: две системы с электронной эмиссией — PDC.E (рис. 5а) и PDC Stream (рис. 5б) и одну с неэлектронной (механической) — PDC (рис. 6). Все модели изготовлены из нержавеющеи стали и соответствуют испанскому (UNE 21.186) и французскому (NFC 17.102) — стандартам на системы активной молниезащиты.

Системы с электронной эмиссией стримера компании Ingesco (PDC и PDC Stream) имеют четыре различные градации по времени опережения — 15, 30, 45 и 60 мкс. При этом внешний конструктив устройств не связан с величиной At, а зависит только от внутренней схемы. Молниеприемники серии PDC Stream — самое продвинутое и, как следствие, наиболее дорогое решение производителя. Реальное время опережения эмиссии стримера в экспериментах достигает 90 мкс, что в полтора раза превышает максимальное значение, регламентируемое французским стандартом (см. табл. 2).

Различные модели неэлектронной серии PDC (на рис. 6 показана PDC 5.3) имеют время опережения 15, 25, 34, 43, 54 и 60 мкс и характеризуются такими конструктивными особенностями, как число лепестков молниеприемника и штырей на каждом из них. Отсюда и разнообразие модификаций, характеристики которых представлены в табл. 4.
 

На рис. 7 представлена старшая модель из неэлектронной серии устройств Ingesco — PDC 6.4 с Д1=60 мкс.

Решения Ingesco е октября 2011 года представляет в нашей стране компания «Инстим КТ». На складе постоянно есть в наличии младшие, наиболее ходовые модели систем PDC и PDC-E с временем опережения 15 мкс. Модели с большими величинами Дt поставляются по предварительным заказам.

Практика показывает, что, как правило, системы с небольшими величинами Дt чаще всего применяются для обустройства коттеджей. Крупные объекты со значительной площадью покрытия требуют применения решений с увеличенным радиусом защиты и, как следствие, с более высокими значениями времени опережения стримера.
 

Активная система Gromostar (рис. 8) выпускается польским заводом Orw-Els (www.orw-els.com). В зависимости от модели молниеприемника обеспечивается время опережения эмиссии 25, 35, 45 и 60 мкс. При этом радиусы защиты соответствуют французскому стандарту. Активные системы Gromostar официально представляет в Украине компания «Селком» (информация доступна на специализированном сайте http://www.molniya.selcom.ua).

Австрийский производитель Schirtec предлагает на рынке четыре модели активных устройств: S-A, S-AS, S-DA, S-DAS. Каждая из них имеет свое значение времени опережения (табл. 5). Рекомендованная высота установки составляет 5-6 метров, хотя данные по радиусу защиты представлены для высоты от 2 до 60 метров. Устройства S-AS (рис. 9) и Б-АБ выполнены с единичным «ионным генератором». Модели S-DA (рис. 10) и S-DAS имеют сдвоенные генераторы, установленные на одной опоре.

Следует отметить, что Schirtec выпускает также комплектующие элементы для монтажа традиционных систем молниезащиты и заземления.

В Украине продукцию австрийского производителя представляет украинско-австрийская компания «Ширтек-Украина» (http: // schirtec. kiev.ua), выполняющая представительские и дистрибьюторские функции.

Продукция польского производителя Galmar (www.galmar. pl) хорошо известна украинскому рынку благодаря многолетнему сотрудничеству с компанией «Ватсон Телеком» (www.watson-tele.com) в сфере заземления и пассивной молниезащиты. Работая во многих странах мира, в том числе поставляя продукцию в страны Африки и Ближнего Востока, про-изводитель предлагает здесь также активные молниеприемники. Подобные решения представлены и на украинском рынке, в частности системы Galactive 1 (рис. 11, с двумя электродами излучения) и Galactive 2 (с тремя электродами).

Французский производитель систем активной молниезащиты Indelec (http://www.indelec.com) представлен в Украине с 2007 года компанией «Мастер Групп Констракшн» (www.indelec.com. ua). На рынке предлагаются с-стемы Prevectron 2 различного исполнения — S6.60 (рис. 12), S4.50, S3.40, TS3.40, TS2.25, TS2.10. Первая цифра в названии модели соответствуют числу отходящих снизу лепестков. Вторая (после точки) — значению времени опережения эмиссии стримера. По словам менеджеров, предлагающих в Украине эту продукцию, на складе всегда в наличии устройства младших серий — TS2.10, TS2.25, обеспечивающих время опережения 10 и 25 мкс.

Компания «Мастер Групп Констракшн» наряду с функциями дистрибуции выполняет также проектирование и установку активных и традиционных систем молниезащиты. По Украине у нее сформирована дилерская сеть в ряде крупных городов.

Для моделей Prevectron 2 S.340T, S4.50T и S6.60T производитель предлагает специальный испытательный прибор (его можно увидеть в нижней части рис. 12), который позволяет регулярно проверять действие приемника на месте его установки или через пульт дистанционного управления.

Кроме описанных выше систем, в Украине представлены также решения SI Interceptor компании Erico (www.erico.com), которые предлагает ООО "Энерголидер" (http://energolider.com.ua). В портфеле различных производителей продукции три изделия. Встречаются также системы Forent турецкого производства. Уж не говорим о китайских товарах, которые хотя и появляются эпизодически, но могут хлынуть на рынок, если только спрос на эти изделия перевалит за определенный порог.

Розничная стоимость активных молниеприемников представлена в табл. 6.

Как можно видеть, на розничном рынке подобные устройства можно купить по цене от 1 до 3 тысяч евро. Цена пропорциональна времени упреждения стримера и, как всегда, зависит от известности торговой марки.

Активные молниеприемники можно умело использовать в качестве дополнений к декоративным элементам крыши, например, к флюгерам (рис. 13).

Задача защиты от молний не ограничивается применением того или иного типа молниеприемника. Важнейший фактор эффективности защиты — правильно выполненные расчеты и реализованный в соответствии с ними проект. К тому же неотъемлемой частью системы молниезащиты является заземление.

Поскольку настоящая статья больше посвящена изучению предложений на украинском рынке систем с упреждающей эмиссией, в последующих публикациях нам бы хотелось расширить тематику, рассмотрев другие аспекты молниезащиты.

Мы приглашаем экспертов, представителей производителей и дистрибьюторов, а также все заинтересованные стороны, в том числе научную общественность, представителей МЧС и просто неравнодушных читателей, подключиться к обсуждению данной темы на страницах нашего журнала.

Принимаются материалы в любом формате — статьи, эссе, реплики, позиции,точки зрения, замечания и пр. Мы с благодарностью примем ваш отзыв или пожелания.

Для переписки по теме молниезащиты открыт специальный адрес — molnia22@ukr.net

Владимир СКЛЯР,

СиБ 

№ 5 (ноябрь) 2012